中科院能源所杨亚综述：用于能量收集的2D纳米材料

国家的发展与其能源消耗息息相关。目前，二维纳米材料已成为能量收集应用研究的主要关注点，范围从小规模的低功率电子设备到大规模的工业级应用，例如自供电传感器设备，环境监测和大规模发电。科学家们正在努力利用二维纳米材料独特的性能来攻克应用中材料选择和制造技术方面的难点，从而为紧凑型能量收集装置替代电池和传统电源提供了更多可能性。

2D Nanomaterials for Effective Energy Scavenging

Md Al Mahadi Hasan, Yuanhao Wang, Chris R. Bowen, Ya Yang

Nano-Micro Letters (2021)13: 82

https://doi.org/10.1007/s40820-021-00603-9

本文亮点

1. 介绍2D纳米材料的范围及其在能量收集应用中的优势。

2. 提出了多种将太阳能，机械能，热能和化学能转化为电能的方法。

3. 讨论了将2D纳米材料用于自供电传感器设备的专有应用程序。

内容简介

目前基于功率转换，存储技术和可持续能源应用的2D纳米材料已经发表了许多综述，但是大多局限于特定材料和应用领域。中国科学院北京纳米能量与纳米系统研究所的杨亚团队在本文中综述了所有类型的2D纳米材料能量收集装置，并对其性能进行了评价分析，以提供对该快速发展领域的宽泛参考。另外，本文还讨论了使用2D纳米材料制造的用于自供电设备的设备以及传感器，提供有关这些新材料在节能研究中的未来方向。

图文导读

I 纳米材料的类型

图1描述了可应用于能量收集的二维纳米材料的主要类型，可分为石墨烯类、四边形二硫化钼、二维钙钛矿结构、MXene、二维MOFs等等，除了以上提到的2D纳米材料，还有许多其他的能量收集材料的研究。由金属氧化物和层状氢氧化物材料合成的2D纳米材料也有利于能量清除应用。这些材料包括PV(光伏)电池，光催化，压电发电和燃料电池。比如ZnO纳米叶已经通过简单的化学气相沉积(CVD)合成，显示出优良的机电性能，可用于NEMS(纳米机电系统)设备。一些金属非层状2D纳米材料，例如几种纯金属和合金以及层状2D纳米材料，包括锗烯，硅烯，锡烯，锑烯，可应用于太阳能电池，用于传感和能量转换应用的催化和表面等离振子共振过程。研究人员还在元素周期表中考虑了各种创新的2D纳米材料，例如来自生物器官或生物成分的仿生纳米材料，2D聚合物纳米材料和从镧(La)到镥(Lu)的稀土2D纳米材料。

图1. 纳米材料的类型示意图和一些相关修饰。

II 太阳能收集

未来的能源供应取决于对可持续资源和利用二维纳米材料辅助的太阳能的利用，这已成为能量收集领域的关键课题。二维纳米材料的导电性和卓越的光电性能使其成为高效光伏(PV)电池，钙钛矿太阳能电池，聚合物电池，光催化和水分解系统开发中的活跃领域。大多数与异质结状石墨烯一起使用的2D纳米材料都可以在硅表面上使用，其效率范围为15％到17％。事实证明，修饰过的2D纳米材料的在制造用于太阳能收集设备的材料方面具有优势。图2给出了基于2D纳米材料的研究工作的性能摘要，包括器件结构，制造方法和能量输出。图3a显示了一个典型的制造方法的示意图。在石墨烯上用石墨烯/ n-GaN制造的光伏器件具有金(Au)和铝(Al)触点的蓝宝石衬底，其开路电势经计算为0.224 V，效率为0.0013％。在图3b中，通过添加六方氮化硼(h-BN)层来引入界面修饰，h-BN较大的电导率会降低太阳能电池的串联电阻，从而形成较高的开路电压。一些掺杂有As的太阳能电池的总效率可以高达20.8％，如图3f所示。

图2. 太阳能收集研究的比较摘要，包括设备结构，功能材料，制造技术和设备输出。

图3. 通过太阳能电池收集太阳能的机理。

III 摩擦发电

由于很少有研究集中于将CoSe₂嵌入多孔碳基质中用作KIB阳极，因此，作者基于对初始完全放电/充电电极的异位分析，研究了CoSe₂@NC/HMCS的钾存储机理(图5, 6)。从处于完全放电状态的电极的HR-TEM图像和SAED图案(分别为图5b, c)，可以清楚地观察到四方相金属Co纳米颗粒和立方相K₂Se的形成。这些结果表明硒化钴纳米晶体转变为相应的金属Co纳米颗粒，同时形成K₂Se作为K和Se离子之间化学反应的副产物。完全充电后，可以从相应的HR-TEM图像和SAED图案(分别为图5e, f)确定复合物中正交相CoSe₂的重新形成。这些结果表明，金属Co纳米粒子在充电过程后恢复为CoSe₂。

图4. 摩擦发电的机理和设备性能。

摩擦发电是在一些相互机械运动之后在两种材料之间存储少量电荷的过程。尽管能量很小，但通过消除对电池供电的需求，它可以在微型或微电子设备中发挥重要作用，并且可以通过收集周围的可持续能源来促进自供电。

Wang等人开发出后可以利用周围的机械能产生摩擦电的摩擦电纳米发电机(TENG)后，TENG引起了科学界的兴趣，以研究能量收集应用的方法。

图4a代表了TENG配置的典型示意图，其工作机理为：与TiO₂纳米颗粒(NPs)混合的介电材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)位于上，下Al(铝)电极之间。在初始阶段，上电极没有电荷，但是下电极具有正电荷，因为电介质材料按照摩擦电系列带负电。当垂直力作用在上电极上时，它接触到电介质材料，正电荷通过电路流到下电极，从而产生固定的定向电脉冲，如图4b所示。外力的释放导致相反的反向电流信号。TENG的输出取决于所施加的机械力和TiO₂的重量比。然而，较大的TiO₂重量比会降低机械强度，导致耐久性降低。目前已开发出带有包含2D纳米材料氧化石墨烯(GO)分散液的液态单电极的TENG，以提供改进的稳定性，灵敏度和灵活性。

图5. 摩擦电纳米发电机的结构和输出性能示意图。

不使用介电材料，而是将覆盖铂的硅AFM(原子力显微镜)尖端作为跨二硫化钼(MoS₂)多层的外部电压源进行滑动，会导致产生TENG。在这种情况下，会产生摩擦电，而MoS₂在电荷转移中起着重要的作用。图5a显示了MoS₂晶粒的三种不同的摩擦电流响应。AFM尖端提供的外部电压有助于纳米发电机增加产生的摩擦电流密度，通过集成许多此类设备，可以将其用于许多大规模的机械能收集目的。

IV 基于二维纳米材料的应用能量收集装置

基于2D纳米材料的能量收集设备的应用包括纳米系统，无线/自供电传感器和嵌入式自供电设备等多功能领域，可用于环境监测，健康技术以及与机器的人机互动等。二维纳米材料的发现使人们能够设计对人类或周围环境信号高度敏感的小型设备。与传统的受电设备相比，实现一定程度的自主权和自供电功能的能力为免维护的无线操作提供了更大的机会，并提供了更大程度的便利。不同能量收集系统与自充电电池或超级电容器的混合可以大大减少对常规电池和电源的依赖，尤其是对于低功率运行的电子设备。利用Au-MoS₂可以制备一种在室温下效率高的柔性传感器，利用了单层MoS₂纳米发生器(PENG)的压电特性，如图6b所示。所制造的传感器通过压电的方式响应人体运动来发电。图6a展示出了在基底上的单层MoS₂薄层的图像。图6c展示了所制造的装置的内部结构及其双电极。

图6. 基于二维纳米材料的纳米发电机自供电传感器。

二维纳米材料也可以作为离子传感器应用。利用掺有MoS₂的易变化学传感器阵列，可使无标记离子感测的效率提高29％。图7e显示了芯片的照片，图7f是PET基板上设计的传感器的光学显微照片。根据变化的Cd⁺离子浓度的传感性能如图7g所示，这表明随着浓度的增加，随着MoS₂通道电阻率的变化，产生的电流也随之增加。所制造的传感器设备可以检测样品(例如人类汗液)中的Hg²⁺和Na⁺，从而为健康或环境监测传感器系统提供了参考，这些传感器系统无需任何外部电源即可运行。

图7. 基于二维纳米材料的纳米发电机离子传感器。

作者简介

杨亚

本文通讯作者

中国科学院北京纳米能源与系统研究所 研究员

▍主要研究领域

新能源纳米材料与器件：1.铁电纳米材料与器件；2.光热电纳米材料与器件；3.复合与耦合纳米发电机；4.自驱动传感器系统。

▍个人简介

中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员，博士生导师，微纳能源与传感实验室负责人。在微纳能源与传感研究方面，取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标，从半导体纳米材料的设计和可控制备出发，探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理，在新型耦合纳米发电机的设计和集成、基于纳米发电机的自驱动传感器、柔性大规模传感阵列等领域取得了重要进展。在国际杂志Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等杂志上发表SCI学术论文190余篇。撰写并出版英文专著1部。研究结果被各类著名国际学术期刊或媒体如Nature Photonics、AAAS、Cell Press、TheGuardian等作为亮点报道。论文被引用总数12000余次，H指数为65 (Web of Science的数据)。已授权美国专利1项，申请和授权的中国专利40余项。获2018年国家自然科学二等奖和2010年北京市科学技术一等奖[第四完成人]，博士论文被评为2013年全国百篇优秀博士学位论文。担任Nanoenergy Advances主编，InfoMat、Nanoscale、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials、Nanoscale Advances和Energies杂志编委委员，Research、iScience、Nanomaterials和Energies杂志Guest Editor，Nature Electronics、Nature Communications和Science Advances等期刊审稿人。国际学术会议分会主席5次，被邀请做过50多次学术演讲或邀请报告。

▍Email: yayang@binn.cas.cn

▍课题组主页

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撰稿：原文作者

编辑：《纳微快报》编辑部