博文

河南理工大学周爱国课题组：将MXene作为摩擦纳米发电机(TENG)电极材料的独特优势与发展前景

已有 613 次阅读 2025-5-9 08:33 |个人分类:JAC|系统分类:论文交流

原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

Cite this article:

Fan J, Zhang G, Yang J, et al. MXenes in triboelectric nanogenerators (TENGs): Present status and the future. Journal of Advanced Ceramics, 2025, https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221087

DOI: 10.26599/JAC.2025.9221087

ResearchGate： https://www.researchgate.net/publication/391437354_MXenes_in_triboelectric_nanogenerators_TENGs_Present_status_and_the_future

1、导读

摩擦纳米发电机（TENG）作为下一代能量转换和自供电传感设备的变革性技术，选择合适的电极材料（摩擦电材料和导电材料）对其性能优化极为关键。近年来，MXene（尤其是Ti₃C₂ MXene）凭借其独特的物理化学性质，成为TENG中极具潜力的摩擦电材料和导电材料。目前研究和综述文章主要聚焦于如何用MXene制备TENG，以及所制备TENG的性能优化，但是缺乏文献从材料科学角度对MXene在TENG中的应用进行总结，并阐述其应用的理论依据和优势。本文从MXene研究者的角度，对MXene在TENG中的应用进行分类，总结每类应用的内在原因与优势。这些工作为利用MXene的独特优势，制备高性能的新型TENG奠定了文献和理论基础。

图1 MXene薄膜在摩擦纳米发电机中的应用分类

2、研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种新兴的低频能量收集装置，能够持续地将环境中的机械能（如风能、声能和人体运动）转化为电能。选择合适的摩擦电材料和导电材料对于优化 TENG 性能至关重要。近年来，MXene（尤其是 Ti₃C₂ MXene）已成为 TENG 中摩擦电/导电材料的理想候选材料。虽然包括研究和综述文章在内的大量研究都集中在 TENG 的结构和性能方面，但文献中仍然存在一个明显的空白：从材料科学的角度对 MXene 的应用进行全面总结，并详细阐明在 TENG 中使用 MXene 的理由和优势。

3、文章亮点

TENG的电极由导电层和摩擦电层组成，通常金属箔作为导电层，高分子薄膜作为摩擦电层。但是MXene因为良好的导电性与摩擦电性能，可以同时应用到导电层和摩擦电层。因此，相比于常见的材料，MXene用到TENG中具有独特的优势。本文从MXene研究者的角度，对MXene 在TENG中的应用进行了分类，详细分析并讨论了MXene在摩擦纳米发电机各层应用中的优点与缺点，分析了如何在TENG各个层中更高效地使用MXene以充分发挥其优势。本文为基于MXene制备高性能的TENG提供了理论基础。

4、研究结果及结论

如图2所示，MXene在TENG中的应用可分为 4 类。类型一：由于MXene 薄膜具有优异的导电性，因此被用作导电层。在某些情况下，为了改善纯MXene薄膜的性能，特别是力学性能，加入了第二相。与传统的金属箔相比，MXene 薄膜具有良好的柔韧性。用 MXene 薄膜作为导电层可以制备出具有良好柔韧性的 TENG。类型二：由于MXene 薄膜具有高电负性，因此被用作摩擦电层。与一般聚合物薄膜用作摩擦电层不同，MXene 薄膜具有导电性，也可用作导电薄膜。类型三：MXene 纳米片作为聚合物的导电填料作为摩擦电层。MXene 纳米片可以显著提高聚合物薄膜的摩擦电性能。类型四：MXene 薄膜被用作电荷捕获层。在一些 TENG 中，摩擦电层和导电层之间引入了一个新的层，以捕获两层之间交换的电荷。由于MXene 具有高的电负性、电子亲和性和丰富的表面官能团。因此，MXene 薄膜可用作电荷捕获层，以提高 TENG 的性能。

图 2 TENG 的结构及 MXene 在不同层 TENG 中的应用，括号中的百分比代表自 2017 年以来发表的相应论文的比例。

图3总结了 MXene 在这四种应用中的优势。MXene薄膜作为导电层的优点可以概括为：优异的柔韧性/拉伸性、高电荷捕获能力、多样的可加工性、丰富的表面终端。基于这些优点，可以制作纯MXene薄膜或复合薄膜。由于这些薄膜具有柔性/拉伸性、高导电性、高电荷捕获性，因此可作为TENG 的导电层用于自供电传感。

MXene 薄膜作为摩擦电层的优点可以概括为：高电负性、高导电性、无需导电基底。这些特性使得MXene薄膜无需额外的导电层即可实现高效的能量转换。

MXene 纳米片作为聚合物薄膜的填料应用为摩擦电层的优点可以概括为：与聚合物基体结合力强、介电常数高、电负性强、导电性高。由于聚合物基体的存在，复合薄膜具有较高的机械性能（如强度、柔韧性和拉伸性能），而 MXene 填料赋予了复合薄膜一定的导电性和增强的电子增益能力。此外，聚合物基体还能保护 MXene 填料不被氧化。由于这一优点，以 MXene 为填料的聚合物薄膜表现出优异的力学性能和摩擦电性能，可用于能量收集。但也存在一些缺点。首先，复合薄膜的制备过程相对复杂。其次是泄漏电流问题。

MXene 薄膜作为电荷捕获层的优点可以概括为：高电负性，电荷捕获能力强；电导率高，电荷转移能力强；易于加工成薄膜；与金属和聚合物薄膜的附着力强。由于上述优点，MXene 薄膜在从摩擦电层捕获电荷并转移到导电层方面表现出卓越的性能。

相对于纯MXene薄膜，MXene高分子复合薄膜，具有更好的力学性能与柔韧性；相对于高分子薄膜，MXene复合薄膜具有更好的摩擦电性能、介电性能，以及一定的导电性。因此MXene高分子复合薄膜是极具前景的TENG电极材料，同时满足导电层与摩擦电层的性能要求。基于MXene复合薄膜的独特优势，可以设计制备具有良好电学性能、力学性能的新型TENG。

图 3 MXene 在TENG不同层中的应用优势总结

5、作者及研究团队简介

樊嘉诚，2023年毕业于河南理工大学，获得硕士学位。目前为河南理工大学材料科学与工程学院的博士研究生，师从周爱国教授。他的研究方向主要集中在基于二维材料MXene的摩擦纳米发电机制备与性能研究。

张光磊，目前是河南理工大学材料科学与工程学院的硕士研究生，师从周爱国教授。他的研究兴趣包括二维MXene及其复合材料作为锌离子电池正极材料的性能研究。

杨佳，河南理工大学材料科学与工程学院副教授。2007 年获郑州大学学士学位，2012 年获华南理工大学博士学位，后加入河南理工大学材料科学与工程学院。他的研究方向为柔性电子材料与器件、功能材料等。

周爱国，2008年获美国德雷塞尔大学材料工程博士学位。现任河南理工大学材料科学与工程学院教授。他的研究方向包括具有层状结构的三元碳化物/氮化物家族（MAX 相）和新型二维材料家族（MXene）的制备与应用。

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1. Zhou A, Liu Y, Li S, et al. From structural ceramics to 2D materials with multi-applications: A review on the development from MAX phases to MXenes. J Adv Ceram 2021, 10: 1194–1242.

2. Jin S, Jing H, Wang L, et al. Construction and performance of CdS/MoO₂@Mo₂C–MXene photocatalyst for H₂ production. J Adv Ceram 2022, 11: 1431–1444.

3. Guo Y, Zhang X, Jin S, et al. Synthesis of Mo₂C MXene with high electrochemical performance by alkali hydrothermal etching. J Adv Ceram 2023, 12: 1889–1901.

4. Chang Y, Zhao H, Liu X, et al. Etching-time-regulated strategy toward delaminated Mo₂CT_x MXene for tailoring electromagnetic wave absorption. J Adv Ceram 2024, 13: 1795–1806.

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为清华大学林元华教授、郑州大学周延春教授和广东工业大学林华泰教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名，是2025年中国科学院期刊分区表的材料科学1区的Top期刊。2024年入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目。