韩国成均馆大学Dae Joon Kang：利用二维材料赋能柔性能量采集应用

研究背景

随着物联网、柔性电子和微机电系统的快速发展，对可持续微型电源的需求日益迫切。传统微型电池和超级电容器受限于能量密度和更换困难，难以满足分布式微电子设备的长期供电需求。环境能量采集技术通过捕获太阳能、机械能和热能等废弃能源，为构建自供电系统提供了可行方案。二维材料因其原子级厚度、高比表面积、优异的机械柔性和可调谐的电学/光学特性，在开发柔性、可穿戴能量采集器件方面展现出独特优势，成为替代传统材料的理想选择。

成果介绍

韩国成均馆大学Dae Joon Kang等人系统探讨了石墨烯、过渡金属硫化物、MXene、六方氮化硼、黑磷和二维金属有机框架等材料在光伏、压电、摩擦电、热电及射频能量采集中的应用。研究表明，通过硫空位钝化可使MoS₂ 压电纳米发电机的输出电流和电压分别提升3倍和2倍；MXene凭借其高导电性和丰富表面化学，能显著提高摩擦电器件的电荷密度；构建二维/三维异质结构可有效改善钙钛矿太阳能电池的电荷传输效率和稳定性。这些材料通过界面工程、缺陷调控和复合策略，显著提升了能量采集器的输出性能和耐久性。该成果以“Harnessing the Power of 2D Materials for Flexible Energy Harvesting Applications”为题发表在Carbon Energy期刊上。

图文解析

图1  用于能量采集应用的二维材料示意图展示了它们在不同便携式与可穿戴电子产品中的集成，以实现可持续的发电。

图2  二维材料相较于传统材料及其块体材料的显著特征

图3  用于制备二维材料的合成方法示意图展示了自上而下法（包括（A）机械剥离，（B）液相剥离，（C）电化学插层，（D）液相插层和（E）气相插层）与自下而上法（包括（F）湿化学合成和（G）化学气相沉积）在材料制备中的不同路径。

图4  典型二维材料的晶体结构及其能量采集应用（A）黑磷[褶皱六方晶格，半导体，带隙（0.3–2.0 eV），电导率（100 S m^-1），热导率（10–36 W m^-1 K^-1），光致发光波长（918 nm）]。（B）MXene（Ti₃C₂T_x）[导体/半导体，带隙（0.95–1.7 eV），电导率（2.4 × 10⁴ S cm^-1），热导率（55.8 W m^-1 K^-1），光致发光波长（503–652 nm）]。（C）过渡金属硫族化合物（MoS₂）[六方晶格，半导体，带隙（1.2–1.8 eV），电导率（0.2–1.7 S m^-1），热导率（52 W m^-1 K^-1），光致发光波长（670 nm）]。（D）二维金属有机框架[具有网状结构的六方晶格，半导体，电导率（10³ S cm^-1），带隙（1.0 eV）]。（E）六方氮化硼[蜂窝状晶格，绝缘体，带隙（5.9 eV），热导率（751 W m^-1 K^-1），光致发光波长（203 nm）]。（F）石墨烯[六方蜂窝晶格，导体，带隙（0 eV），面内电导率（1738 S m^-2），热导率（3000–5000 W m^-1 K^-1），光致发光波长（354–729 nm）]。（G）共价有机框架[六方层状结构，导体（电导率 10–10⁵ S cm^-1）/半导体（电导率 10–10^-10 S cm^-1，带隙 < 3.0 eV）]。（H–K）压电、摩擦电、热电及光伏纳米发电机示意图。

图5  结构-性能关系对比图（A）石墨烯，（B）过渡金属硫族化合物，（C）六方氮化硼，（D）MXene，（E）黑磷及（F）二维金属有机框架的雷达图对比，展示了它们在能量采集应用中多样化的性能特征。图中EC、MC、TC、BT、SF和ES分别代表电导率、机械强度、热导率、带隙可调性、表面功能化和环境稳定性。

图6  二维材料中的莫尔超晶格与扭转电子学（A）二维晶体层间相对扭转θ角形成莫尔图案的示意图。（B）和（C）单层WSe₂、黑磷及WSe₂/BP莫尔超晶格的示意图与光电流分布图。其中绿色线条标示镜面对称面，带圈圆点表示旋转对称轴。

图7  用于柔性能量采集的仿生设计二维材料（A）展示海壳结构随角度变化光学效应的示意图。（B）鲍鱼壳虹彩内表面图像。（C）受海壳启发、由石墨烯与二维TiO₂构建的异质结构。（D, G, J）WS₂/MoS₂异质结构示意图及能带中电子-空穴传输动力学过程，分别展示双面（D）与单面（G和J）光照条件下的载流子传输机制。（E, H, K）在形成II型半导体结的WS₂/MoS₂异质结构中，双面光照（E）促使电子从WS₂向MoS₂转移、空穴从MoS₂向WS₂转移，实现电荷分离并产生离子光电流与光电压；单面光照（H和K）使载流子生成局域化，分别实现电子（H）或空穴（K）的选择性传输。（F, I, L）离子响应极性保持不变，但幅值较双面光照条件减半。

图8  缺陷驱动的二维材料动力学在能量采集中的应用（A）石墨烯中拓扑空位缺陷（如Stone-Wales缺陷）在缺陷重构过程中通过空位周围键构型改变形成的示意图。（B）原子级环形暗场扫描透射电子显微镜图像，揭示MoS₂/WS₂界面处的周期性位错。（C）透射电子显微镜图像，显示高浓度晶界的存在。（D）MoS₂的透射电子显微镜图像，显示通过聚焦电子束辐照引发的裂纹扩展，清晰呈现晶格导向的边缘结构和裂纹尖端的高分辨率形貌。（E）原始MoS₂中本征硫空位及其经过硫处理后的钝化效果示意图，并列压电性能测试结果，表明原始MoS₂表现出更优异的压电性能。（F）展示rGOF可折叠成不同形状的光学图像，及相应功率密度曲线图，显示rGOF-2000-TENG的最大功率密度达到5.04 W m^-2，分别是GOF-TENG和rGOF-3000-TENG的9倍和4倍。（G）通过不同烷基链硫醇化进行WS₂缺陷工程的示意图，及原始WS₂与功能化TENG器件的输出功率密度对比图，该器件成功点亮45个LED。

图9  用于光伏能量采集的二维材料（A）光伏能量采集工作机制示意图。（B）太阳能电池一步法与两步法制备工艺示意图。（C）制备以rGO/PANI-Ru作为电子给体的聚合物太阳能电池器件示意图。（D）rGO/PANI-Ru在聚合物太阳能电池中的能级构型示意图。（E）该聚合物太阳能电池器件的特征电流密度-电压曲线。（F）MoSe₂、MoS₂、WS₂和石墨烯单层材料的吸光度谱图，并与AM1.5G标准太阳光谱辐照度叠加对比。（G）MoS₂/p-Si异质结太阳能电池器件结构示意图：MoS₂具备太阳辐射吸收能力，p-Si则支撑并传输电荷载流子；MoS₂/p-Si异质结通过分离和收集电子-空穴对产生电流。（H）MoS₂/p-Si异质结能带图，展示其对应的能级对齐关系。（I）MoS₂/p-Si异质结太阳能电池在变化电压与电流条件下的电流密度-电压特性曲线，揭示其性能与效率特征。

图10  用于热电能量采集的二维材料（A）热电能量采集工作机制示意图，阐释热能通过此现象转化为电能的原理。（B）展示通过引入MoS₂/石墨烯纳米复合材料制备的柔性纳米复合热电纳米发电机，显示出显著功率密度和输出电压。（C）纳米复合热电纳米发电机在不同温差下输出电压的图示，揭示了器件在变温环境下的性能表现，证明其从温度梯度中采集能量的效率。（D）基于黑磷的热电测量器件示意图。（E）厚度为40 nm的黑磷薄片光学显微镜图像。（F）通过将制备的WTEG暴露于人体手臂进行开路电压测定的图示。（G）左图展示人体手臂表面的输出测量，右图为玻璃表面的测量结果，凸显不同表面能量采集效能的对比研究。（H）玻璃表面开路电压变化曲线：在注入温水前器件无电压输出；注入温水后电压稳步升至峰值0.7 mV；随后随水温冷却降至0.6 mV。（I）钼基MXenes（包括Mo₂CT_x、Mo₂TiC₂T_x和Mo₂Ti₂C₃T_x）热电性能图示，显示Mo₂TiC₂T_x样品具有突出性能，其特征为显著高的热电功率因子。

图11  用于压电能量采集的二维材料（A）压电能量采集工作机制示意图，阐释机械能通过此现象转化为电能的原理。（B、C）以石墨烯为电极的PZT基压电纳米发电机的电压（B）与电流密度（C）输出特性图。在0.9 kg外力作用下，该器件输出电压约2 V，电流密度约2.2 μA cm^-2。（D-F）树叶（D）、火柴杆（E）和手指触摸（F）在不同高度下落时对应不同应力的压电输出电压响应。（G）单层h-BN纳米花在正向与反向连接下受应力作用的开路电压图示。（H）描绘可贴合于脚跟部位的多孔电极压电传感器示意图，用于识别足部汗液信号。（I）显示汗液条件下电压信号随压力变化的示意图：长时间行走时汗液分泌增多，在保持恒定步频（约1.5步/秒）与压力状态下导致传感器输出电压衰减。

图12  用于摩擦电能量采集的二维材料（A）摩擦电能量采集工作机制示意图，阐释机械摩擦能通过此现象转化为电能的原理。（B）基于MoS₂/LIG的无接触洗手液分配器及其制成的自驱动摩擦电传感器，该创新器件可用于无接触手部消毒以遏制COVID-19传播。（C）显示手部接近与远离消毒器时产生的峰峰值电压信号波形图。（D）柔性MXene器件在（D）打字、（E）鼠标点击、（F）手机输入时的机械能采集展示，以及相应（G）打字、（H）鼠标点击和（I）输入过程中产生的开路电压信号。

图13  用于射频能量采集的二维材料（A）射频能量采集系统示意图。（B）四种不同工作频率下输出电压随输入射频功率的变化关系。（C）采用5 mW输入射频功率实现3.5 V输出电压的图示，曲线同时表明随着输入射频频率升高，输出电压呈现下降趋势。（D）MXene微带转换线结构示意图，该结构可实现最小能量损耗，并支持工作频率在5.6-16.4 GHz范围内的高功率辐射天线运行。（E）MXene基天线效率随厚度变化的实验计算与仿真结果对比。（F）不同长度NbSe₂基天线的回波损耗谱，插图为史密斯圆图阻抗分析。（G）基于PbS的射频能量采集装置示意图。（H）以手持对讲机为射频源，在100单位半径内点亮LED的实验装置展示。

图14  用于能量采集的二维混合复合材料与混合纳米发电机（A）MOF与MXene复合材料的结构示意图。（B）优化TENG中的电子云势阱模型，为理解材料界面处的电子转移机制提供了理论框架。（C）CsPbBr₃薄膜与MoS₂@MXene界面处的缺陷钝化与电荷传输示意图。该器件凸显了MoS₂量子点中不饱和硫原子的关键作用，其与MXene表面形成Ti-S键，促进高效电荷传输；同时展示单结太阳能电池器件实现的电流密度-电压特性曲线及最大开路电压。（D）CMOF@MoS₂混合复合材料示意图，突出缺陷调控与异质结构工程的协同效应。（E）MXene/BaTiO₃@PDMS器件的制备流程示意图，其中复合材料层通过旋涂法沉积于聚酰亚胺基底支撑的铝电极上。（F）基于PDMS的TENG（浅蓝色）、混合复合材料（深蓝色）与改性混合发电机（粉色）的输出电压波形对比。（G）集成MoS₂ – PVDF与PDMS层的压电-摩擦电混合纳米发电机的电路配置与结构示意图。

图15  用于柔性能量采集的二维材料“规模化与制造技术”板块表明，能量采集模块的可持续性在很大程度上依赖于低成本的规模化生产；因此，需要采用基础研究与技术发展相结合的系统性方法。“稳定性与环境可持续性”板块揭示了这些材料与器件在生命周期终结后的归宿问题，因而未来应将开发全生命周期可循环利用的能量采集工具与材料作为首要目标。“优化能量转换”板块指出，通过探索新型二维材料、优化器件结构并构建多机制耦合的混合系统，是实现高性能能量采集器的未来重点研究方向。“商业化与市场潜力”板块阐明，随着各行业对自驱动便携与可穿戴设备需求的日益增长，二维材料在高效能量采集领域具有广阔的应用前景。

研究小结

二维材料在能量采集领域虽取得显著进展，但仍面临规模化制备、环境稳定性和能量转换效率等挑战。未来研究需重点关注绿色合成工艺开发、多机制混合能量采集系统构建，以及材料在可穿戴设备和物联网中的实际集成。通过跨学科合作和持续的技术创新，二维材料有望推动下一代可持续能源技术的发展，为实现自供电电子系统提供关键技术支撑。

论文信息

论文标题：Harnessing the Power of 2D Materials for Flexible Energy Harvesting Applications

论文网址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cey2.70083

DOI: 10.1002/cey2.70083