综述：新兴金属氧化物基摩擦纳米发电机在能量收集和自供电传感中的应用

本综述系统探讨了以金属氧化物为核心材料的摩擦纳米发电机（TENG）在能量收集与自供电传感中的前沿进展，重点分析了材料设计（如掺杂改性）、工作机制（如电荷分离与转移）及在环境监测（如污染物降解）和生物医学传感等领域的应用潜力，为可持续能源与智能传感技术提供重要参考。

　　

引言

工业废水污染问题日益严峻，尤其是纺织、制药和化妆品行业排放的有机与无机毒素对水环境的破坏亟待解决。光催化技术因其高效、低能耗的特性成为水处理领域的研究热点。本文聚焦于具有Ruddlesden-Popper（RP）结构的层状钙钛矿材料Sr₂TiO₄，通过锰（Mn）掺杂调控其能带结构，提升可见光响应能力，并探究其在降解有机污染物（如对苯二酚）和无机毒素（如亚砷酸钠）中的光催化性能。

合成方法

采用甲酸盐前驱体技术合成Sr₂Ti_1-xMn_xO₄（0 ≤ x ≤ 0.1）固溶体。以硝酸锶（Sr(NO₃)₂·2H₂O）、硝酸锰（Mn(NO₃)₂·2H₂O）和钛酸丁酯（Ti(OC₄H₉)₄）为原料，通过甲酸反应生成金属甲酸盐，经溶胶-凝胶过程与溶剂热处理形成前驱体，最终在1050°C空气中煅烧获得目标产物。该方法有效控制颗粒尺寸与相纯度，避免传统自蔓延高温合成（SHS）的局限性。

结构与表征

X射线衍射（XRD）显示所有样品均为单一相的K₂NiF₄型结构（空间群I4/mmm），无杂质峰。扫描电镜（SEM）与能量色散X射线光谱（EDAX）表明材料为1 μm尺寸的无规则团聚体，元素分布均匀。锰的掺杂未破坏晶体结构，但显著影响光学与电化学性质。

光学与电化学特性

锰掺杂使Sr₂TiO₄的带隙从3.2 eV降至2.5 eV（x=0.1时），拓展了可见光吸收范围。循环伏安法（CV）与电子顺磁共振（EPR）光谱证实锰以混合价态（Mn⁴⁺为主，Mn²⁺为辅）存在，其中Mn²⁺/Mn⁴⁺ redox对促进激子电荷分离，并诱导表面形成超氧自由基（•O₂^–）和羟基自由基（•OH），通过自由基捕获实验验证。

光催化性能

在紫外与可见光照射下，Sr₂Ti_1-xMn_xO₄对氢醌（1,4-苯二酚）和亚砷酸钠（NaAsO₃）均表现出高效光氧化活性。随着锰浓度（x）增加，光催化效率显著提升。其中Sr₂Ti_0.9Mn_0.1O₄在紫外光下的动力学性能超过商用催化剂Degussa P25的4倍以上，凸显其在实际水处理中的应用潜力。

结论

本研究成功合成锰掺杂层状钙钛矿Sr₂Ti_1-xMn_xO₄，通过能带工程与价态调控实现可见光响应增强及自由基介导的高效光催化氧化。该材料在环境修复（如有机污染物与砷降解）和自供电传感领域具有广阔前景，为设计新型金属氧化物基能量收集与传感器件提供理论依据与实验基础。