工业废料衍生的摩擦纳米发电机：资源化利用策略、应用及未来展望

《Sustainable Materials and Technologies》：Industrial waste-derived triboelectric nanogenerators: valorization strategies, applications, and future perspectives

　　**亮点**- 建立了废弃物衍生摩擦纳米发电机（TENG）的材料至器件框架。- 增值路线与废弃物材料保留特性相匹配。- 直接再利用相比强化性能提升可能更具优势。- 可持续性需进行生命周期、耐久性、成本和废弃处理评估。**引言**工业化与城市化的持续推进推动了社会经济发展，但也导致了各类废弃物流的日益积累。塑料、电子废弃物以及纤维和纺织废弃物因其产量巨大、持久性和成分复杂，已成为环境治理和资源利用中的重要议题 [1–7]。这些废弃物流的规模十分可观。2019年全球塑料废弃物约为3.53亿吨，其中仅9%最终被回收，19%被焚烧，近50%被填埋，其余22%则得到不当管理 [8]。2022年全球电子废弃物达到6200万吨，但仅有22.3%被记录为以环境友好方式正式收集和回收 [9]。每年全球产生的纺织废弃物约为9200万吨，相当于每秒有一卡车服装被焚烧或填埋；2023年，全球纤维市场中来自纺织-纺织回收的比例不到1% [10]。与此同时，随着物联网（IoT）、柔性电子和分布式传感网络的发展，对微小型化电子节点所需的低成本、低维护和可持续供电技术的需求持续增长 [11]。目前，废弃物增值已沿几条技术路线发展，包括机械回收、化学解聚、热化学转化和金属回收，这些方法对废弃物减量和资源回收作出了贡献 [12, 13]。然而，这些方法主要侧重于材料回收或能量回收，而废弃物材料在新兴功能器件中的高值化利用仍有待进一步发展。从材料组成和结构特征来看，许多废弃的制成品仍保留有可用的聚合物介电层、导电组件、层状界面或纤维网络结构，这为其纳入微/纳能量器件提供了材料基础 [14–16]。自2012年摩擦纳米发电机（TENG）首次被证明以来 [17]，由于其柔性结构设计、广泛的材料选择以及对低频机械刺激的响应能力，TENG已成为微/纳能量领域的活跃研究方向 [18–23]。然而，高性能TENG的构建通常仍依赖于含氟聚合物（如聚四氟乙烯（PTFE）和氟化乙烯丙烯（FEP））以及铝和银等金属电极 [24, 25]。尽管这些原生材料可以提供较高的器件性能，但其材料来源、制造工艺和废弃处理等方面的问题在一定程度上可能影响TENG作为绿色能源器件的可持续性 [26–29]。因此，开发具有更广泛可获得性、更低环境负担和兼容器件性能的材料替代系统，仍是推进TENG实际应用的重要问题 [30]。在此背景下，利用废弃物衍生材料构建TENG为废弃物增值提供了一条可能的路线 [37]。同时，可持续TENG研究也探索了可生物降解和生物基摩擦材料作为替代材料体系 [24, 38]。近期研究进一步展示了废弃物衍生TENG的多样化，包括全回收多材料器件 [32]、基于废橡胶/回收塑料/消费后塑料的TENG [39–41]、回收PET基系统 [42]、电子废弃物衍生的能量收集和功能性应用器件 [43]，以及其他用于可再生能源收集和自供电传感的废弃物基系统 [44, 45]。最近，增材制造与回收PET和从废弃电池中回收的石墨相结合，构建了用于能量收集和自供电传感的柔性TENG [46]。本综述的范围限于三类具有代表性的废弃物衍生材料：聚合物废弃物、电子和金属废弃物、纤维和纺织废弃物。这些原料可能来源于制造残余物或消费后产品，在保留与TENG构建相关的制造成分、结构、界面或功能组件时被纳入。天然生物质和农业残余物本身，以及矿物、灰烬、炉渣、建筑和污泥衍生废弃物不在主要范围之内，而废弃的制造纺织物无论其组成纤维是合成还是天然均被纳入。市政固体废物不作为独立综述类别；然而，从城市废弃物流中回收的消费后制造产品，在满足上述材料和功能标准时可被纳入。近期几项综述已从材料类别、回收方法、废弃物来源、加工路线和器件应用等角度总结了回收材料基TENG、废弃物衍生TENG系统、绿色摩擦材料和废弃物升级策略 [25, 26, 37, 47]。这些研究为可持续和废弃物衍生TENG技术提供了广泛概述。为明确本综述的定位，表1比较了具有代表性的前人综述在研究范围、组织依据、可持续性相关内容覆盖范围和具体贡献等方面的情况。然而，废弃物材料保留的结构和界面特性、适当的增值策略以及它们在TENG中的功能角色之间的关系，尚未在不同材料体系之间得到系统性整合。因此，本综述建立了一个材料至器件的增值框架，将保留的材料特性与直接再利用、结构重构、界面调控或材料/组件重组联系起来（图1）。以下章节将探讨材料适应性和接触起电行为、三类材料的增值策略、应用场景和未来挑战。本叙述性综述考虑上述范围内原始研究中文档化的废弃物衍生材料作为功能相关TENG组件的应用。包含废弃物衍生和原生组件的器件被视为部分废弃物衍生，"完全回收"仅当原始研究中明确证明时才使用。文中、图表和表2中讨论的代表性研究被选定以覆盖不同废弃物来源、增值策略、器件角色、应用场景和报告的局限性，而非仅以最大电能输出为标准。由于本综述为叙述性而非系统性，文献覆盖并不全面，可能存在发表和选择偏差。**分节摘要****位移电流理论与基本工作模式**摩擦纳米发电机（TENG）的能量转换源于接触起电与静电感应的耦合 [48]。在微观层面，接触起电不应被普遍归因于单一的电荷转移机制。实验研究为特定固-固体系中的电子转移、含离子表面上的可移动离子转移，以及涉及离子分子片段的材料转移提供了证据。**废弃物衍生材料在TENG中的应用**废弃物衍生材料可作为构建TENG的替代原料。现有研究主要涉及聚合物废弃物、电子和金属废弃物、纤维和纺织废弃物 [26]。随着废弃物增值研究的发展，这些材料在TENG中的应用逐渐从早期的简单再利用演变为涉及结构设计、表面调控和组件重构的功能利用 [67]。根据材料来源和……**废弃物衍生TENG的多场景应用**废弃物衍生TENG已在分布式能源供应、智能传感与人机交互、环境过程等方面进行了探索 [137]。在本综述中，仅限于LED照明、电容器充电或短暂驱动低功耗电子器件的演示被视为概念验证证据，而非自主运行；更强的应用验证应考虑输送能量、存储和充电行为、电源管理效率、工作周期……**挑战与未来展望**尽管废弃物衍生TENG在材料增值和多场景应用方面取得了进展，但在从实验室演示迈向可重复且实际可部署的系统之前，仍存在若干障碍。与其将这些挑战视为等价的，我们建议近期工作应优先考虑废弃物原料表征、批次一致性和标准化性能评估，这些是评估跨材料……可重复性的基础。**结论**废弃物衍生TENG为将废弃聚合物、电子/金属和纤维/纺织材料的功能价值超越传统材料或能量回收提供了途径。本文回顾的证据表明，最适当的增值策略主要取决于废弃物材料中保留的功能性，而非加工的程度。当有用的……存在时，一般应优先选择直接再利用或低强度物理重构。**CRediT作者贡献声明****尹宝旭**：撰写—原始草稿、可视化、调查、形式分析、数据管理。**蒋兴嘉**：撰写—审阅与编辑、调查、形式分析、数据管理、概念构思。**刘艺林**：撰写—原始草稿、调查、数据管理。**张延娇**：可视化、调查。**王健达**：可视化、调查。**杜太丽**：撰写—审阅与编辑、监督。**吴桂涛**：撰写—审阅与编辑、调查。**徐敏一**：撰写—审阅与……**利益冲突声明**作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述工作。**致谢**本研究由中国博士后科学基金（项目编号：2025T180074, 2024M750297）、北京纳米能源与系统研究所高熵能源材料器件北京市重点实验室（项目编号：GS2025MS004）和辽宁省教育厅基本科研项目（项目编号：LJ212510151019）资助。---尹宝旭 | 蒋兴嘉 | 刘艺林 | 张延娇 | 王健达 | 杜太丽 | 吴桂涛 | 徐敏一