综述：用于摩擦电纳米发电机的二维层状材料

摩擦电纳米发电机（TENGs）通过利用层状材料如MXenes、石墨烯、过渡金属二硫属化物（TMDs）等提升性能，这些材料具有可调电子特性、高表面面积和机械柔韧性。本文系统综述了层状材料在TENG中的应用进展，包括材料设计、摩擦行为、集成策略及理论模型分析，并讨论了电荷捕获、界面极化等机制。研究指出，MXenes因优异的导电性和表面官能团修饰，在高压输出和柔性应用中表现突出；碳基材料如石墨烯和碳纳米管通过增强导电网络提升电荷密度；TMDs如MoS?通过缺陷工程和相变调控增强电荷存储。此外，金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）通过高孔隙率和可调化学特性实现多功能集成。然而，材料稳定性、环境适应性及规模化制备仍是挑战。未来需结合理论计算与实验优化，开发自修复、低毒且可回收的层状材料体系。

　　
### 层状材料在能量收集装置（TENG）中的应用进展与挑战

近年来，基于层状材料的能量收集装置（Triboelectric Nanogenerators, TENGs）因其高效、灵活和可持续的特性，成为能源与微电子领域的研究热点。本文系统综述了MXenes、碳基材料、过渡金属二硫化物（TMDs）、层状框架材料（MOFs/COFs）及六方 boron nitride（h-BN）等在TENG中的创新应用，并分析了当前面临的挑战与未来方向。

#### 一、TENG技术概述与材料选择
TENG通过摩擦接触或分离产生电能，其核心在于材料间的电子转移与极化现象。传统材料如PTFE、PDMS等因低导电性或脆性限制性能，而层状材料凭借独特的电子结构、高表面活性及可调控的化学特性，成为提升TENG效率的关键。

1. **材料特性要求**
- **电子极化性**：材料需具备显著差异的电子亲和力（如MXenes的氟化 termini与聚酰亚胺的羟基结合），以产生高电荷密度。
- **机械性能**：需具备柔韧性、耐磨损性（如h-BN的层状结构可承受反复变形）。
- **环境稳定性**：需抵抗湿度、氧化等环境影响（如氟化MXenes在潮湿环境中的稳定性优于普通聚合物）。

2. **传统材料的局限性**
聚合物（如PTFE、PDMS）虽成本低且可塑，但表面电荷易流失；金属（如Al、Cu）虽导电性好，但氧化导致性能下降。因此，需通过复合材料或功能化改性提升性能。

#### 二、层状材料在TENG中的创新应用
##### 1. **MXenes（过渡金属碳/氮化物）**
- **优势**：高导电性（金属 Fermi 能级）、可调控表面官能团（如-TF3、-OH）、机械强度高（弹性模量达1 TPa）。
- **应用案例**：
- **Ti?C?T?/PDMS复合材料**：在接触分离模式下，开路电压（V_OC）达230 V，功率密度0.33 W/m2，适用于人体运动监测（如手写识别、呼吸监测）。
- **MXene-聚酰亚胺复合层**：通过氢键增强界面结合，电荷转移效率提升50%，适用于机器人触觉传感器。
- **挑战**：长期稳定性不足（氧化导致导电性下降），需开发封装技术（如Ecoflex encapsulation）或掺杂策略（如氮化处理）。

##### 2. **碳基材料（CNTs、石墨烯等）**
- **碳纳米管（CNTs）**：通过电纺工艺与PDMS复合，形成高导电网络，短路电流（I_SC）达137 μA，功率密度达0.5 W/m2。与皮肤接触时，灵敏度达435 mV/10 kPa，适用于脉搏监测。
- **石墨烯（GO/rGO）**：GO的氧官能团增强极化，rGO还原后导电性提升。例如，GO/PVDF复合层在接触分离模式下V_OC达450 V，功率密度5.1 W/m2。
- **创新方向**：石墨烯-聚合物异质结构（如GO/聚丙烯酸酯）通过界面工程减少电荷复合，提升耐久性。

##### 3. **过渡金属二硫化物（TMDs）**
- **MoS?**：作为电子陷阱，抑制电荷复合。例如，MoS?/PVDF复合层在5 Hz频率下输出功率达50 mW/cm2，适用于智能家居环境监测。
- **WS?**：化学稳定性更高，与PTFE搭配时V_OC达10.5 V，适用于极端湿度环境（如户外风能发电）。
- **缺陷工程**：硫空位调控能带结构，如Kim等通过硫掺杂将MoS?的禁带宽度从1.8 eV降至0.35 eV，显著增强电荷捕获能力。

##### 4. **层状框架材料（MOFs/COFs）**
- **MOFs（金属有机框架）**：高孔隙率（如ZIF-8比表面积达3300 m2/g）提供更多电荷存储位点。例如，Co-MOF/PVDF复合层在接触分离模式下V_OC达440 V，功率密度0.15 W/m2，适用于可穿戴设备。
- **COFs（共价有机框架）**：强共价键赋予更高热稳定性。如TFB-DB-GF COF与PVDF复合，功率密度达1.4 W/m2，耐久性超过50,000次循环。
- **应用扩展**：MOFs在气体传感（如CO?吸附量提升30%）、催化（如产氢效率提高20%）中表现突出，可集成至多功能TENG。

##### 5. **六方硼氮（h-BN）**
- **优势**：化学惰性（耐高温至2000°C）、高电绝缘性（击穿场强达10 MV/cm）。
- **应用案例**：h-BN/PVDF复合层在接触分离模式下V_OC达434 V，功率密度0.14 W/m2，适用于自供电水质传感器（通过检测Na?/K?浓度波动）。

#### 三、性能优化策略
1. **表面功能化**：
- MXenes的氟化（-F）或羟基（-OH）端基可调控表面电势，如Ti?C?T?的-Cl修饰使V_OC提升至72 V。
- GO的氧化官能团（-COOH）增强极化能力，在湿度环境下仍保持90%以上输出稳定性。

2. **结构设计**：
- **异质结构**：MXene-MoS?异质结通过带隙工程实现高效电荷分离（如Zhang等设计的异质结在1.5 Hz下输出功率达54 mW/cm2）。
- **纳米复合**：将CNT（1D）或rGO（二维）嵌入聚合物基体（如Ecoflex?），形成多尺度导电网络，接触面积扩大3倍。

3. **自修复机制**：
- PDMS基体中添加0.5 wt% MXene，裂纹修复速度达80%，电荷密度恢复效率>90%。
- PVA/GO复合层通过氢键自愈，循环10,000次后V_OC衰减仅5%。

#### 四、挑战与未来方向
1. **核心挑战**：
- **稳定性不足**：MXenes在潮湿环境中易氧化（如Ti?C?T?在90% RH下3个月内V_OC下降40%），需开发自修复涂层（如聚脲酰亚胺封装）。
- **规模化生产难题**：MOFs的合成成本高（如ZIF-8需高温固相反应），需发展溶液法制备（如室温光催化合成）。
- **电荷管理瓶颈**：TENG输出脉冲性强（如人步行时每秒仅产生2-5次电荷波动），需集成超级电容（如石墨烯超级电容在10 μF下充电时间<1 s）或能量管理芯片。

2. **未来研究方向**：
- **多材料协同设计**：如MXene与h-BN复合（理论计算显示界面能差达0.5 eV，可提升电荷转移效率）。
- **智能响应材料**：开发pH/应变双响应的TENG薄膜（如聚丙烯酸酯/MXene复合材料在pH=7时输出功率达0.5 W/m2，pH=3时提升至1.2 W/m2）。
- **环境适应性增强**：通过氟化（-F）或硅烷化（-SiMe?）处理实现防水（如WS?/PVDF在IP67等级下仍可工作）。

#### 五、应用场景拓展
1. **可穿戴医疗设备**：
- MXene-弹性体贴片在连续监测心率（误差<3%）和血压（误差<5 mmHg）中表现优异。
- GO/PVA复合传感器在伤口监测中实现每天24小时自供电数据采集（电流密度2.7 μA/cm2）。

2. **智能基础设施**：
- MoS?/TFTE复合层在桥梁监测中输出功率达1.2 W/m2，寿命>10年。
- h-BN/PVDF在纺织传感器中耐洗涤（50次循环后V_OC保持85%）。

3. **环保能源系统**：
- WS?/PVDF在雨滴冲击下（0.5 mm diameter, 5 m/s速度）输出电压达11.02 V，效率>5%。
- MOFs/聚乙烯醇复合材料在海水淡化中的自供电潜力（输出功率0.08 W/cm2，盐度>3%时仍有效）。

#### 六、总结
层状材料通过电子结构调控（如MXene的金属导电性）、界面增强（如GO的π-π堆积）和多功能集成（如h-BN的化学惰性），显著提升了TENG的性能与适用性。未来需突破规模化制备（如MXene的CVD成本需降低至$50/kg）、长期稳定性（如氧化防护）及智能化集成（如AI驱动的动态负载匹配）。随着材料基因组计划的推进，基于机器学习的层状材料高通量筛选将加速突破，推动TENG从实验室走向产业化。