广东工业大学《Nano-Micro Lett》：石墨烯电极用于摩擦纳米发电机的最新研究进展

成果简介

随着可穿戴电子设备、无线传感器网络和其他微电子设备的不断发展，对微型、灵活和高效纳米发电技术的需求日益迫切。三电纳米发电机（TENG）技术可将微小的机械能转化为电能，有望解决这一问题。作为TENG的核心部件，电极材料的选择对其性能影响重大。传统的金属电极材料往往存在耐久性等问题，限制了TENG的进一步应用。石墨烯作为一种新型电极材料，因其独特的结构和优异的电学特性，在TENG中展现出极佳的应用前景。

本综述，广东工业大学陈云 教授团队在《Nano-Micro Letters》期刊发表名为“Advances in Graphene-Based Electrode for Triboelectric Nanogenerator”的论文，系统总结了基于石墨烯电极的TENG的最新研究进展和应用前景。介绍了石墨烯电极的各种精密加工方法，并讨论了基于石墨烯电极的TENG在各种应用场景中的应用以及石墨烯电极对TENG性能的提升。此外，还对石墨烯电极型TENG的未来发展进行了展望，旨在推动石墨烯电极型TENG的不断进步。

图文导读

2.1 石墨烯电极的精密加工方法

石墨烯优异的电气和机械性能导致对这种材料作为 TENG 电极的需求增加。这导致对石墨烯电极的精确和高效加工方法的需求不断增长。本节总结了 TENG 中使用的石墨烯电极的已报道精密加工方法。与石墨烯合成方法一样，根据所使用的起始材料，这些方法可分为自上而下或自下而上。

2.2 基于石墨烯电极的 TENG 的应用

本节将介绍基于石墨烯电极的 TENG 在各个领域的应用。为了全面了解基于石墨烯电极的 TENG 的各种应用，有必要研究几个关键方面，包括能量收集、自供电传感器系统、TENG 性能的增强和其他潜在应用。

图1、基于石墨烯电极的TENG用于能量收集。

图2、基于石墨烯电极的 TENG 用于物理传感器。

这些传感器的共同特点是利用基于石墨烯的先进材料来增强传感能力。这些传感器已在各个领域得到应用。TENG 与其他材料和技术的集成导致了用于无线控制、实时传感和与个人电子产品交互的智能高效系统的发展。总体而言，TENG 领域展示的多样化应用和能力为未来的研究和技术进步指明了光明的方向。

图3、基于石墨烯电极的 TENG 用于警报系统。

小结与展望

图4、石墨烯电极基TENG的发展前景

本文概述了近年来基于石墨烯电极的 TENG 研究的重要进展。作为一种天然的自供电设备，TENG 可以有效解决可穿戴电子设备等微型设备的能源供应问题。石墨烯及其衍生物通过自上而下和自下而上的方法加工为 TENG 电极，这导致功率输出和性能的显著提高。石墨烯出色的导电性、机械强度和掺杂性有助于提高 TENG 的效率和可靠性。其出色的柔韧性、导电性和透明度可用于开发高灵敏度和响应性的电子皮肤，以及实现对人体运动和传感的高精度和高效监测。此外，基于石墨烯电极的 TENG 技术有可能为可再生能源的发展和环境保护做出贡献，包括氢气的生产和水的净化。

随着石墨烯在 TENG 中的应用不断扩大，未来的研究将集中在开发具有增强特性的石墨烯上。因此，加工高性能石墨烯的技术不断发展，包括掺杂、表面功能化和其他方法。例如，掺杂氮、硼或过渡金属可以显著增强其导电性和催化活性，从而提高 TENG 的能量收集效率。此外，功能化技术（涉及在石墨烯表面添加化学基团）可以针对特定应用定制其特性，并增强电极的稳定性，最终提高 TENG 系统的稳健性。因此，石墨烯加工技术的进步正在推动 TENG 成为具有高能量收集效率、长寿命和高稳定性的自供电可穿戴传感系统。此外，探索用于 TENG 电极的石墨烯替代材料，例如 MXenes 等 2D 材料，也是一个很有前途的研究方向。

为了推进基于石墨烯的 TENG 的开发，必须解决几个挑战。例如，在 LIG 中使用自然可降解的材料（例如软木和水果壳）作为碳前驱体并实现精确的图案定制，可以提高材料利用效率并减少废物产生，从而实现环保加工。为确保加工一致性，可以通过提高激光光源的稳定性和提高加工平台的精度来最大限度地减少误差。此外，对原材料进行预处理以减少缺陷也是有益的。此外，更深入地了解基于石墨烯的 TENG 电极之间的电荷转移机制并改变表面形态以增加电极接触面积对于提高能量收集效率至关重要。通过对电极表面进行有针对性的功能化，可以提高系统的稳健性，从而延长系统的长期生命周期和高稳定性。

随着基于石墨烯电极的 TENG 技术领域的不断发展，基于石墨烯电极的自供电 TENG 有望成为技术领域的宝贵补充。本文对未来的研究和实际应用提出了以下展望：

(1)加工技术：前面提到的大多数自上而下的方法将石墨烯及其衍生物掺入聚合物中，例如 PDMS 和 PVDF，以形成复合材料，这些材料用作 TENG 的电极。虽然这些方法可以增强 TENG 的性能，但电极材料的合成过程是艰巨的，并且其中一些方法存在安全隐患并产生废料。在自下而上的方法中，CVD 方法的设备维护成本较高。此外，LIG 加工方法容易在石墨烯中出现缺陷。开发更环保的合成方法对于提高石墨烯生产中的环境可持续性至关重要。因此，未来的研究可能旨在开发一种基于天然材料的环保且具有成本效益的电极制造方法。未来的战略可能侧重于优化生产技术和提高材料利用效率，以确保石墨烯生产的环境可持续性。

(2)系统集成：TENG 是一种将周围环境的能量转化为电能的装置。基于石墨烯电极的 TENG 的峰值功率密度接近每平方米数百瓦，完全能够为电子设备存储和供电。Kumar 等人将 TENG 和超级电容器集成到单个器件中，从而实现了能量收集和存储的系统集成。这被应用于自供电的智能开关系统。鉴于基于石墨烯电极的 TENG 在自供电系统中的潜在应用，未来的研究可能指向开发具有高性能储能系统的 TENG。

(3)智能终端：人类健康和环境保护问题仍然是公众关注的前沿。基于石墨烯电极的 TENG 的潜力已经在许多应用中得到证明，包括人体运动监测、废水净化、制氢和灭菌。基于 TENG 的自供电系统与物联网 （IoT） 的集成将导致智能终端系统的发展，用于实时监测人类健康和环境能源。这将有助于及早发现潜在问题并实施纠正措施。

文献：https://doi.org/10.1007/s40820-024-01530-1