中科院能源所杨亚综述：用于能量收集的2D纳米材料

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。

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。

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。

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。