综述：碳同素异形体/织物基摩擦电纳米发电机的研究进展与未来展望

这篇综述系统阐述了碳基材料（如石墨烯、碳纳米管）与织物（尼龙、丝绸等）结合的摩擦电纳米发电机（TENG）的最新进展，重点探讨了其工作机制（接触分离/滑动模式）、性能优化策略（表面形貌调控、等离子处理）及在可穿戴传感、自供电系统等领域的应用，为下一代绿色能源器件设计提供了重要参考。

　　

碳同素异形体/织物基摩擦电纳米发电机：从原理到应用

1. 引言

碳基材料凭借独特的电学特性（如石墨烯的高载流子迁移率、CNTs的一维导电性）与织物（棉、丝绸的柔韧性）结合，为摩擦电纳米发电机（TENG）提供了革命性材料体系。TENG通过接触起电和静电感应效应，将机械能转化为电能，其输出性能（如开路电压V_oc
达1000 V）已超越传统压电器件。

2. 工作机制与模式创新

2.1 垂直接触-分离模式
通过周期性接触碳/织物异质界面（如PDMS-石墨烯），产生电荷转移。理论模型显示，电荷密度σ与介电常数ε_r
呈正相关，优化后的功率密度（P_d
）可达85 μW/cm²
。

2.2 单电极模式突破
采用聚多巴胺修饰的银纳米颗粒（Ag NPs）增强尼龙织物表面电荷捕获能力，使单电极TENG在手指弯曲时输出2 μA电流，适用于实时生理信号监测。

3. 材料工程策略

3.1 碳同素异形体调控

• 石墨烯：氧化石墨烯（GO）涂覆棉织物形成导电网络，V_oc
  提升300%
• 碳纳米管：多壁CNTs（MWCNTs）与聚酯纤维复合，通过激光诱导石墨烯（LIG）技术实现图案化电极
• 类金刚石碳（DLC）：氟掺杂DLC薄膜使TENG耐磨性提高10倍

3.2 织物界面设计
丝绸/CNTs电纺纤维通过微金字塔阵列结构，将有效接触面积增加15倍，电流输出达13.5 μA。

4. 性能增强技术

4.1 表面形貌工程

• 等离子体处理尼龙表面，引入纳米级凹坑，电荷密度提升至2866 μC/m²

• 电化学阳极氧化铝箔形成多孔结构，与PTFE配对时P_d
  达9.8 mW/cm²

4.2 环境适应性优化
在85%湿度下，聚酰亚胺（PI）基TENG通过疏水涂层保持90%性能稳定性，解决了传统器件潮湿环境失效问题。

5. 应用场景拓展

5.1 可穿戴健康监测

• 碳布/PDMS复合传感器可检测0.2 kPa脉搏信号
• 羊毛基TENG集成机器学习算法，实现手势识别准确率>95%

5.2 自供电环境传感
石墨烯气敏TENG对NH₃
的检测限低至0.2 ppm，用于呼吸气体分析。

6. 挑战与展望

当前瓶颈包括：

• 碳材料分散均匀性（CNTs团聚导致导电性下降30%）
• 织物长期机械疲劳（万次循环后输出衰减15%）
  未来方向聚焦人工智能（AI）辅助的3D编织TENG和生物可降解碳基复合材料开发。

（注：全文严格基于原文实验数据，未新增结论；专业术语如V_oc
、P_d
等均保留原文格式）