精选
Triboelectric Nanogenerators for Thermal Management Application: Current Progress and Future Prospects
Jia-Qi Lang, Lei Chen, Xing-Xiang Ji*, Qi Liu, Ming-Guo Ma*
Nano-Micro Letters (2026)18: 274
https://doi.org/10.1007/s40820-026-02110-1
本文亮点
1. 集成摩擦纳米发电机与热管理的必要性。系统阐述了摩擦纳米发电机通过接触式与非接触式热传感参与材料热管理的过程。
2. 聚焦高效热管理材料。探讨有望实现高效热管理的新兴材料体系，包括石墨烯、MXene、相变材料、纤维素等复合材料的设计原理、工作机制、性能特征及应用场景。
3. 摩擦电材料在全过程热管理中的应用。梳理摩擦电材料在全过程热管理应用(热能收集、热转换、热能存储、热致动、导热、隔热等)的最新研究进展。
研究背景
传统化石燃料的无节制使用影响全球生态安全，发展可再生能源显得尤为关键。在全球“碳中和”背景下，我们必须最大限度地利用所有潜在的可再生能源。传统能源管理技术往往与绿色可持续发展的总体趋势相悖，摩擦纳米发电机(TENG)作为微能源革命性技术应运而生。实际应用过程中，大量热能以废热形式损失，未能得到有效利用。因此，有效的热管理(TM)对于确保TENG在复杂环境中稳定高效运行至关重要。
近年来，推动TENG在热能获取、存储、转换及利用过程中的多功能集成，构成实现万物互联的物理基础。然而，TENG的输出性能受热能的显著影响，高温会加速材料老化变形并加速电荷消散，低温则可能导致材料脆化、降低摩擦电输出效率。TENG和TM技术的有效结合标志着向更智能、舒适和自给自足的可穿戴电子设备的范式转变。通过实现热能的获取、转换等多功能的协同应用有望在可穿戴设备和工业物联网等领域发挥越来越重要的作用。
内容简介
可穿戴电子设备、自供电系统和物联网的快速发展，对高效热管理技术和可持续能源解决方案的需求迫切。然而，摩擦纳米发电机及其集成电子元件不可避免地产生或积累焦耳热导致性能下降甚至设备故障。北京林业大学马明国教授课题组与齐鲁工业大学吉兴香教授课题组合作，对摩擦纳米发电机在热管理领域中的应用提供了全面的总结与评述。博士生郎佳琪为第一作者，马明国教授与吉兴香教授为共同通讯作者，北京林业大学为第一通讯单位。
本文系统总结了基于石墨烯、碳纳米管、MXene、纤维素和相变材料等关键材料的热管理-摩擦纳米发电机系统的设计和开发，阐明了摩擦电荷产生与热管理之间的双向耦合机制，分析了现有的理论模型，详细说明了热管理-摩擦纳米发电机的多功能集成以及在热能收集、热能存储、热转换、热致动和导热等领域的应用潜力。深入剖析了摩擦电荷产生与热管理之间的双向耦合机制，回顾了摩擦电与热管理相互作用的主要物理模型，并对它们的适用性和局限性进行了论述。最后，本工作讨论了该领域未来的发展方向并提出实现更先进TM-TENG系统的可行性建议。
图文导读
I TENG与TM的研究情况调研
在全球可持续能源发展浪潮推动下，TENG与TM领域的科研热度显著攀升。如图1a所示，2014年至2025年间关于TENG与TM的文献数量呈现波动但总体上升趋势明显。热管理可贯穿热能获取、存储、转换及利用的全过程。热能采集与热传导涉及热能获取与传输，热存储与隔热则归属于热能存储与调控范畴，而热能转换、热驱动系统及热致动器则体现热能的转化过程(图1b)。图1c展示了过去三年间TM应用中与TENG相关的总发表论文数量，热能采集、热能转换及热传导领域的研究最为广泛，而热致动与TENG的集成研究仍处于萌芽阶段。
图1. (a) TENG在热能领域的发表论文情况；(b) 与TENG集成的TM系统类型；(c) 过去三年中不同TM应用与TENG结合的发表论文情况。
II TENG与热能管理系统集成的应用现状总结
图2所示的TENG与热能管理系统集成的代表性应用相继涌现。该研究的初始动因源于TENG在实际应用中面临的热环境挑战。早期工作主要聚焦于利用具有光热转换特性的材料进行热能采集。TM与TENG应用从割裂状态转向整合双领域以实现协同增强能力。
图2. 近十年TENG与TM系统结合应用研究的发展趋势。
III TENG的工作模式
TENG系统被分为四种典型的操作模式，包括接触分离模式(CS)、滑动模式(LS)、单电极模式(SE)、独立摩擦电层模式(FS)。
图3. TENG装置的工作模式。
IV TENG在热管理系统中的应用
TENG作为热管理中的主动执行器和接触式/非接触式热传感器。制备柔性接触材料并在摩擦电层间加入液体润滑剂可以减少磨损，有效延长设备的使用寿命。尽管接触式传感技术在实现高灵敏度直接机械-电信号转换方面已具备研究基础，但功能需求的演进催生了非接触式传感范式的开发。
图4. TENG主动参与TM系统：(a) 用于手表和计算器充电和放电的TENG；(b) 热刺激不同温度的TENG的电响应；(c) 材料掺杂TENG的Voc的影响；(d) 基于四种不同摩擦电层的TENG的Voc比较；(e) 热依赖的运行中电压输出；(f) TENG稳定性测试的Voc。
V 接触式/非接触式传感的TENG系统应用
非接触式TENG热传感的设想为未来智能建筑、工业安全及新能源领域的安全系统设计开辟了一条富有想象力的技术路径。接触式和非接触式热传感器本质上都需要功率消耗才能运行，当集成到TENG系统中时会导致相对较低的输出功率。二者结合属于一个跨学科领域，需要深入整合材料科学、电子学、热力学等相关学科知识，目前仍处于早期探索阶段。
图5. TENG作为非接触式热传感器：(a) 非接触式TENG的工作机制示意图； (b) TENG在两种模式下的电流特性与电荷变化；(c) 基于TENG的接触式/非接触式机械臂。
VI 石墨烯基复合材料的TM-TENG应用
可穿戴技术推动了自供能TENG的研究，其中氧化石墨烯(GO)因其优异性能备受关注。GO作为二维材料，具有高电子迁移率、透明性和卓越的电热导率，其高度有序薄膜的热导率可达1800 W m⁻¹ K⁻¹。将GO引入TENG可提升整体热导率，防止局部过热。通过掺杂、堆叠等策略可调控GO电导率，其氧官能团使其适合作为摩擦电材料。研究表明，GO基TENG不仅能量收集效率高，且机械耐用、轻量化。例如，rGO/PVDF纳米纤维发生器能同时将机械能和热能转换为电能，功率密度达3.37 mW cm⁻²，并首次系统整合压电、摩擦电和热释电三种机制。GO的高比表面积和机械性能显著提升TENG的输出性能和耐久性。
图6. 石墨烯基复合材料的TM-TENG应用：(a) 原位3D打印PVDF纳米复合泡沫的热导率变化(左)，纳米复合材料的输出电压曲线(右)； (b) 基于复合纤维的热电纳米发电机； (c) GO-CC-TENG点亮LED； (d) M-TENG在模式下的工作机理；(e) CGC-TENG的实时输出； (f) 不同方法和温度下的复合材料的导热系数； (g) 纳米复合材料在多次加热和冷却后的导热系数。
VII 纤维素基复合材料的TM-TENG应用
TENG可以根据环境温度在热调节模式(冷却和加热)之间灵活切换。将纤维素复合材料与TENG集成并结合TM核心功能创造了自供电、可热管理、可穿戴/可植入智能系统。未来，研究人员可以努力开发基于全纤维素的TENG，包括纤维素衍生的基底、摩擦电层、电极和封装层。将这些与环境友好的TM材料集成，将大大缓解电子废弃物问题。这种方法也代表柔性电子和可持续技术演进中的重要趋势。
图7. 纤维素基复合材料的TM-TENG应用：(a) 折叠PVA/纤维素复合材料的DTG曲线； (b) LTC-S3、玻璃、XPS和TPU在CPU上放置3分钟的照片、红外变化； (c) 热能对复合材料输出电压的影响； (d) LPCP-TENG和原始LC织物的垂直燃烧测试的光学图像； (e) 生物质复合材料制备过程示意图； (f) 光照射下表面温度变化曲线和相应的红外热图像。
VIII 碳纳米管和MXene复合材料在TM-TENG中的应用
碳纳米管复合材料在导电性、导热性和机械性能方面具有独特而优异的多角度性能，因此在集成摩擦电和热件方面具有巨大的发展潜力。在微观尺度上精确操纵碳纳米管的排列和界面，并结合开发复合材料系统和集成架构，充分利用其理论潜力，将共同推动多功能、自适应和智能下一代电子系统的发展。类似的是，MXene具有优异的热转换和导热性能，在能量采集、电磁屏蔽和热绝缘应用中潜力巨大。MXene具有内在的类金属高电导率，这种独特的特性通过简单调节TENG的操作状态，能够精确和可编程地控制加热温度。
图8. 碳纳米管和MXene复合材料的TM-TENG应用：(a) 与其他基于纺织品的TENG模型的比较； (b) 复合材料的导热系数(左)，在2V、4V和6V的施加电压下的加热循环(右)； (c) TPU@CNT海绵制备TENG设备的示意图； (d) 设备的导热稳定性响应与W-MX500； (e) 3D打印的CS/MXene气凝胶的热导率曲线。
IX LM复合材料的TM-TENG应用
液态金属(LM)被引入摩擦电材料中，形成基于LM的TENG这一非传统类别。LM-TENG具有导电性、可变形性和低毒性，独特地结合了液体的变形能力和金属的特性，使其成为制造可拉伸、可折叠甚至自愈合电极理想材料。当与其他材料集成时，LM不仅可以提高复合材料的性能，还可以缓解其固有的局限性。未来，LM-TENG技术的突破将依赖于配方、微流体技术和系统级能量整合方面的协同创新，其最终目标是实现下一代自供电和自散热的电子系统。
图9. LM复合材料的TM-TENG应用：(a) 在恒定50°C水浴中固态镓-铟的温度变化； (b) 太阳模拟器照亮TE-皮肤(左)，照明强度对TE-皮肤温度变化的影响(右)； (c) 在18°C和50°C下储存CPL-TENG 3天后的Voc； (d) 在1000 μW cm⁻²光强下HPC的温度稳定性； (e) LM-TENG对患者手臂的热疗效果； (f) 基于仿生鲨鱼皮肤的步态传感器的示意图。
X 相变复合材料的TM-TENG应用
相变材料能够通过可逆的相变储存和释放热能。根据化学成分、相变机制，可分为单组分相变材料(无机和有机相变材料)和复合相变材料。液体-固体TENG能够通过利用各种水源的能量产生电力，其工作原理基于接触电化和静电感应，通过水与固体表面接触和分离，在外部电路中产生持续电流。PCM-TENG能够结合高效热能储存/温度调节与稳定电/热输出的设备和系统。
图10. 相变复合材料的TM-TENG应用：(a) PRS在红外辐射下的温度变化过程； (b) 压缩应力引起正电荷流入Ti₃C₂ MXene微通道； (c) 在不同热环境下PVA/PEG-TENG的电气输出行为； (d) SEBS和SEBS-OA基TENGs的热相关输出电压； (e) 原子尺度电子云势模型图； (f) 在不同极端温度下点亮LED灯泡的图片(左)， 不同温度下TENG的Voc(右)。
XI 金属有机框架复合材料的TM-TENG应用
金属有机框架材料(MOFs)代表一类通过金属离子作为节点和有机配体作为连接剂进行自组装形成的3D复合物。MOFs可以作为电子捕获材料，适用于摩擦电材料中的应用。与其他多孔材料相比，MOFs由于其高结晶性和易于化学修饰的独特优势，被广泛用于摩擦、传感和TENG应用。
图11. MOF基复合材料的TM-TENG应用：(a) PPS复合材料的TG； (b) 在不同的热环境下MD-TENG的稳定Voc； (c) ZIF-67/Zylon气凝胶织物和棉织物在人体皮肤上的红外热成像； (d) 摩擦电聚合物和LCP/PPS复合材料的性能比较。
XII 热能收集和转换应用于TENG
热能收集将TM系统从单纯的能耗单元转变为潜在的能源供应单元，使其成为系统架构中不可或缺的组成部分。热能装置作为内置的温度传感器和能源来源，是TM过程的基础。通过将摩擦电层与热电或相变材料集成，TENG可以同时采集机械能和环境热能。TENG的热转换过程与传统高功率电气设备中的基本原理相同，但在不同的条件下运行。将热转换材料集成到TENG代表了主动监测和调节的未来方向。
图12. TENG的热能收集和转换：(a) AR-TENG到ThEG的热传递和PPy-SC中的能量存储的混合装置意图； (b) 不同阶段镍块的红外图像； (c) TD-TENG中发生的主要热传递过程的示意图； (d) 用于太阳能收集的新型可穿戴热电混合发电机的应用图； (e) 开发的ST-PSC/TENG混合系统的示意图和数码照片。
XIII 热能转换和热致动应用于TENG
通过TENG的摩擦电效应和静电感应机制将能量转换为电能的技术已经逐渐成熟。与热能转换不同，热驱动致动研究的核心焦点在于能源的最终应用。当受到外部热源的刺激，热声发生器产生声能，从而为TENGs提供稳定和持续的机械能供应。
图13. TENG的热能收集和转换：(a) 无线海况监测系统的示意图； (b) 不同电压下复合纺织品的电热性能(上)，复合纺织品在不同近红外辐射距离下随加热时间增加的温度演化曲线(下)； (c) PPDMS、PDMS/PDA和PPA膜的输出性能(左)，不同电阻下的输出电压和功率(右)； (d) 在拉伸-释放条件下HSNG的电输出电压以及在热梯度下的热电Voc； (e) 基于S=40的S-TENG进行实时环境温度监测。
XIV 导热材料应用于TENG
为了提高耐磨性和导热性，开发具有高效导热能力的摩擦电复合材料至关重要。已有多种策略开发具有高效导热能力的摩擦电复合材料，例如将润滑剂引入摩擦电材料中、优化设备结构。复合材料的热导率和TENG的输出性能之间的最佳平衡是值得持续关注的问题。
图14. TENG的导热能力：(a) B4C/PVDF复合材料的室温导热系数； (b) 在功率密度为0.3 W cm⁻²辐射下的红外热图像； (c) 不同BNNS含量的BNNS/PVDF复合材料的导热系数； (d) PU/ZrB₂复合材料的TGA曲线和分解温度(左)，PU/ZrB₂复合材料的导热系数(右)。
XV 储热、隔热及混合热电发电机应用于TENG
TENG实现对热能的高效利用表现在热能储存系统上，利用储热材料来积累多余热量并在需要的时间或位置释放热量进行加热的技术。在热电发电器件领域，隔热性能与耐高温性是两个互补且不可或缺的关键属性。隔热材料与TENG器件的集成正从简单的物理组合向功能协同与材料层面的深度融合演进，这与电子设备日益追求高集成度的趋势相契合。
图15. TENG的导热能力：(a) 离子凝胶的TG曲线(左)，离子凝胶G'和G''随温度变化(右)； (b) FR-TENG在不同下的开路电压Voc的拟合曲线(左)，FR-TENG在不同温度下的电阻响应(右)； (c) MFPF作为热绝缘辐射冷却器和TENG的应用示意图以及MFPF的机制图； (d) 160℃时纤维素/CNT的温度-时间曲线(纤维素/CNT气凝胶100℃时的热红外图像)； (e) 具有优异热稳定性和增强性能的TENG的示意图； (f) 不同热水温度下关键性能参数和扭矩的变化； (g) PENG、TENG和PyENG的工作机制示意图。
XVI 关于TM-TENG的结论、挑战和未来展望
基于TM的TENG广泛应用于包括热能采集、热能转换、热能储存、热驱动系统和导热材料等领域，如图16所示。尽管TM-TENG的各种应用方面取得了进展，但未来几年仍有很大的机会继续推进。这些挑战包括TM-TENG的长期稳定性、低输出功率、制造问题、材料随时间的退化、在各种环境条件下的效率、需要先进的材料和TENG的设计以及与现有能源技术的整合。然而，TM-TENG在广泛应用前，需要解决以下问题：
简化TM-TENG的制备过程：将TENG与TM模块以高效可靠的方式集成，在结构和制造工艺方面存在显著复杂性。
探索其他TM-TENG材料：复杂应用日益多样化，对摩擦电材料性能提出了越来越严格的要求。虽然通过成熟的纳米制造技术可实现学术目的的大规模生产，但仍需进一步研究以针对特定目标应用定制这些材料。还应更关注通过实验室规模方法制备的氧化石墨烯的掺杂与功能化，这将促进其融入更广泛的热敏-摩擦电热电复合材料体系以实现多功能性。
提高TM-TENG的输出功率：多个因素共同限制最终的摩擦发电功率输出，包括摩擦过程中的机械能损耗、电荷转移不完全、表面电荷消散以及电路中的阻抗损耗。热电发电器的运行性能还极易受外部环境条件影响，如湿度、温度、接触面积及冲击距离。
提高TM-TENG器件的稳定性：在复合材料制造过程中，由于摩擦带电材料在长期运行中磨损，热电发电器件容易出现性能退化。其核心挑战在于实现热状态之间快速、可逆且低能耗的转换。
探索多功能应用：热敏材料与热电材料正快速迈向智能、自适应及多功能集成化。TM-TENG的集成正在推动智能材料向多功能的发展。其核心价值在于解决TENG在复杂环境中的稳定性和功能性瓶颈，同时为可穿戴技术、物联网、生物医学设备和先进制造等领域开辟新的应用。
将TM-TENG应用于工业电子设备：在实验室环境中，TM-TENG设备必须确保功能可靠性与稳定性。热电转换器有望突破现有瓶颈，成为物联网、可穿戴设备及智能系统可靠的分布式能源。尽管热电转换技术仍处于从实验室研究向产业化转型的初期阶段，但在能效、耐久性和集成性方面面临核心挑战。
图16. TM系统与TENG之间的联系及其应用。
XVII 总结
本文介绍了摩擦纳米发电机在热管理领域中的代表性应用方向，并阐述了其在各领域中的应用前景。强调了热管理在能量收集中的重要性——不仅拓展了摩擦纳米发电机的应用领域，更丰富了可供热电转换器使用的材料库。本文系统阐明了氧化石墨烯、碳纳米管、MXene、相变材料以及MOFs等典型热管理材料在提升摩擦纳米发电机输出性能中的多功能作用。基于热管理材料的摩擦纳米发电机可广泛应用于热能采集、热能存储、热能转换、热驱动系统及导热材料等领域。通过在新材料、新结构和先进系统设计方面的协同创新，摩擦纳米发电机与热管理的结合有望突破现有瓶颈，成为物联网、可穿戴设备和智能系统可靠的分布式能源。摩擦纳米发电机与热管理的结合技术仍处于从实验室研究向产业化转型的初期阶段，在能量效率、耐久性和集成性等方面面临挑战。作为新一代“微能量”技术的代表，摩擦纳米发电机与热管理的有机结合，在可穿戴设备、节能建筑及先进电子散热等领域蕴藏着巨大潜力。
作者简介
马明国
本文通讯作者
北京林业大学 教授
▍主要研究领域
纳米纤维素资源化、功能化、高值化以及循环利用研究。
▍主要研究成果
博士生导师，林业生物质材料与能源教育部工程研究中心副主任。主要从事纳米纤维素资源化、功能化、高值化以及循环利用研究。已发表SCI收录论文100余篇，他引13000余次，H-Index指数56；获授权中国发明专利17件，主编英文专著1部，参编英文专著16部。入选Elsevier与美国斯坦福大学2020-2024全球前2%顶尖科学家榜单。荣获中国林业青年科技奖，教育部自然科学奖二等奖2项，梁希林业自然科学奖二等奖1项。
▍Email：mg_ma@bjfu.edu.cn
吉兴香
本文通讯作者
齐鲁工业大学 教授
▍主要研究领域
农林固废资源化利用、生物技术与绿色造纸、生物基材料。
▍主要研究成果
齐鲁工业大学(山东省科学院)副校长(副院长)，轻工学部主任、绿色造纸与资源循环全国重点实验室主任。主要从事农林固废资源化利用、生物技术与绿色造纸、生物基材料方面的研究工作。主持国家重点研发计划项目、国家自然科学基金重点项目等国家级项目6项。获国家科技进步二等奖1项、国家技术发明二等奖1项、教育部等省部级一等奖4项。发表学术论文80余篇，出版专著1部，授权发明专利65件。
▍Email：xxjt78@163.com
撰稿：原文作者
编辑：《纳微快报(英文)》编辑部
关于我们
Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。
Web: https://springer.com/40820
E-mail: editor@nmlett.org
Tel: 021-34207624
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