由于人口的快速增长和先进的经济发展，对能源的需求不断上升，但对环境安全的担忧正在推动对可再生能源生产的更大需求。为了从太阳能、风能、热能、水能和机械能等环境能源中获取能源，人们付出了许多努力。尽管电磁发电机很常用，但它们不能缩小到小规模，为可穿戴电子设备或微功率系统提供足够的能量。因此，迫切需要开发能够有效地从环境源获取和存储能量以用于这些应用的新能源技术。

碳纳米管（CNT）具有独特的原子结构，可提供优异的机械、电化学、电学和热学性能。具体来说，碳纳米管是已知的最强材料之一，其杨氏模量超过1TPa，拉伸强度超过GPa，在CNT纱线中由于其相当紧凑的结构而显著。扭曲或拉伸会导致电化学电容变化，这种变化已被用于基于扭曲的发电设备，即龙卷风。对于水力发电机，液体和碳原子之间的弱耦合效应形成双电层，当通过流动、蒸发、，或吸湿。这种水力效应使CNT能够在不变形的情况下产生可持续的电能。此外，碳纳米管的高电性能和灵活性使其适合用作摩擦电纳米发电机（TENG）的摩擦层，该发电机通过摩擦带电和静电感应产生电能。此外，碳管还可以通过使用电化学电池或基于Seebec构建异构结构

正文部分

01成果简介

近日，德克萨斯大学达拉斯分校RayH.Baughman与江苏大学胡兴好等人全面回顾了各种基于CNT的能量收集技术，重点介绍了工作原理、典型示例和未来的改进。最后一节讨论了基于CNT的能量收集器的现有挑战和未来方向。仍然需要深入了解收集机制和提高电输出以实现更广泛的应用。作者在这里全面回顾了各种基于CNT的能量收集技术，重点介绍了工作原理、典型示例和未来的改进。最后一节讨论了基于CNT的能量收集器的现有挑战和未来方向。仍然需要深入了解收集机制和提高电输出以实现更广泛的应用。作者在这里全面回顾了各种基于CNT的能量收集技术，重点介绍了工作原理、典型示例和未来的改进。最后一节讨论了基于CNT的能量收集器的现有挑战和未来方向。该研究以题目为“RecentAdvancesinCarbonNanotube-BasedEnergyHarvestingTechnologies”的论文发表在国际顶级期刊《AdvancedMaterials》。

02图文导读

基于碳纳米管的能源设备可以获得的不同能源概述。

Twistron收割机使用具有不同几何形状的纯CNT纱线，包括卷曲的、合股的和其他结构。（a）电化学浴中扭转系留的卷绕收获器电极、对电极和参比电极的示意图，显示了拉伸前后的卷绕纱线。（b）（a）中收割机的电容和OCV与施加应变的关系。（插图）0%和30%应变的循环伏安曲线。（a-b）经许可复制。[21]版权所有，美国科学促进会（AAAS）。（c）开路电压、电容变化和峰值短路电流对MWNT直径的依赖性。经许可转载。*49+版权所有，爱思唯尔。（d）施加压缩应变前后纵向盘绕纱线的横截面微观结构（左）的示意图，以及施加外部压缩时CNT的电化学双层电容变化（右）。经许可转载。*50+版权所有，WileyVCH。（e）工作电极的电化学收获实验和收获结果的示意图，该工作电极包括弹性纤维上的弯曲CNT护套、Pt对电极和Ag/AgCl参比电极。经许可转载。*52+版权所有，美国化学学会。（f）使用比例尺的具有不同几何形状的CNT纱线采集器的扫描电子显微照片?m.经许可复制*版权所有，自然出版集团。

使用具有不同预处理的卷曲双卷曲纱线和CNT纱线的机械能量采集器。（a）示意图显示了铁蛋白双卷曲MWNT纱线的制造过程。经许可复制。[54]版权所有，爱思唯尔。（b）从CNT森林和还原氧化石墨烯（rGO）涂覆的CNT片材中提取CNT片材的SEM图像。（c）白炽张力退火工艺（ITAP）期间CNT纱线的插图（左）和照片（中），以及ITAP前后CNT纱线外表面的SEM图像。（b-c）经许可复制。[23]版权所有，WileyBlackwell。（d）电化学纱线纳米发生器的制造工艺说明，该发生器涉及CNT涂覆的聚酯纤维，其中CNT涂覆有生物相容性普鲁士蓝（PB）。能量收集是通过弯曲图中的纺织品产生的，在图中，复合纱线作为相对的电极编织在相邻的层中，从而弯曲拉伸一个。

使用CNT基薄膜和纱线通过流动的水进行水力发电。（a）所产生的电压（V）是水的流速的函数。插图显示了一个实验装置，其中R是储液器，L是控制液体流量的值，S是圆柱形玻璃流动室，G是电压表。经许可复制。*61+版权所有，AAAS。（b）水流通过SWNT引起的电势差示意图。（c）通过不对称乙腈（即CH3CN）掺杂SWNT网络产生开路电压及其对其费米能级、导带和价带的影响的示意图。经许可复制。*71+版权所有，美国化学学会。（d）掺杂过渡金属氧化物的CNT纱线在浸入饱和NaCl水溶液中时的收获机制的示意图，显示了流体纳米发生器中的流动电势。在该NaCl溶液中，在流体纳米发生器的表面上形成双电层。还说明了流体纳米发生器中的诱导电势差和空穴浓度梯度。（e）当将该纳米发生器插入流体中和从流体中拉出时，会产生典型的电压信号和电流信号。（d-e）经许可复制。*72+版权所有，美国化学学会。（f）发生器的收获机制示意图，其中NaCl水溶液直接在CNT纱线上流动，显示了流体纱线纳米发生器中的流动电势。经许可复制。*73+版权所有，WileyVCH。

通过水蒸发使用碳纳米管材料的水力发电能量采集器。（a）使用单个20mm长的RC/CNT纤维的发电装置的示意图布局。经许可复制。*74+版权所有，WileyVCHVerlag。（b）植物蒸腾过程示意图（左）和一块木头蒸发产生的电力（右）。木片的微通道是垂直排列的，当水在微通道中流动时，通道的内表面带负电，从而产生带正电的流动。经许可复制（左）。*74+版权所有，WileyVCH。经许可复制（右）。[]版权所有，美国化学学会。（c）通过水蒸发的基于CNT膜的水力发电能量采集器的示意图。（d）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PTE）基板上基于MWNT的水力发电装置的示意图。水通过毛细管作用和覆盖在装置上的蒸发流动。经许可转载。*76+版权所有，英国皇家化学学会。（e）CNTs/PDMS/纸混合一体式蒸发器的操作示意图，其中PDMS是疏水性聚二甲基硅氧烷，同时使用水蒸发和发电。经许可复制。*77+版权所有，爱思唯尔。

基于压电和摩擦电效应的能量采集器。（a）PVDF-CNT泡沫纳米发生器产生压电能的工作机制。经许可转载。*81+版权所有，ACS。（b）具有多层核壳和褶皱结构的可拉伸多功能纤维的示意图。经许可转载。*84+版权所有，自然出版集团。（c）用于获取生物力学能量的形状自适应、可自愈的摩擦电纳米发电机（SS-TENG）的结构方案。经许可转载。*92+版权所有，美国化学学会。（d）CNT丝基TENG的示意图。经许可转载。*93+版权所有，韩国精密工程学会。（e）用于机械能量收集的可拉伸多孔CNT/弹性体杂化纳米复合材料的合成示意图。经许可复制。*94+版权所有，WileyVCH。（f）通过接触带电在可拉伸TENG和丁腈手套的表面上感应出摩擦电荷。经许可复制。*96+版权所有，爱思唯尔。

碳纳米管材料用于热电能量收集的利用。（a）具有纳米结构电极的热电池示意图，显示了发电过程中亚铁氰化铁氧化还原离子的浓度梯度。经许可复制。*25+版权所有，美国化学学会。（b）电池组件及其组装成平面热电池的照片（插图：热电池操作示意图）。经许可转载。*28+版权所有，自然出版集团。（c）n型和p型CNT膜的功能化机制的示意图。经许可复制。*+版权所有，爱思唯尔公司。（d）（顶部）制造具有CNT片的PEDOT:PSS复合膜和（底部）电极形成的示意图以及评估热电性能的测量方法。经许可复制。*+版权所有，爱思唯尔。（e）在CNT纱线上制造基于柔性TEG的示意图。经许可转载。*+版权所有，美国化学学会。（f）使用在2D空间中互锁的弯曲纤维的弹性制造的无衬底的3D平面外TEG的示意图。经许可转载。*+版权所有，自然出版集团。

用于微动力源的基于碳纳米管的能量收集装置。（a）使用龙卷风从海浪中获取能量的演示。经许可复制。*21+版权所有，AAAS。（b）顶部，一个三层纱线收割机，缝制棉纺织品，用于收集手臂弯曲能量。底部，将μF超级电容器充电至1时的电压与时间曲线。通过在1Hz下将3.2mg收获器阵列拉伸到30%的应变。插图，1的照片。V数字温度/湿度监测器，由存储在超级电容器中的能量供电。经许可转载。*24+版权所有，自然出版集团。（c）当通过使用方波（红色）和正弦（蓝色）变形将卷绕的捻转纱线拉伸输出的时间依赖的20%来供电时，用于点亮LED的捻转管供电的无源升压转换器电路的电压。经许可转载。*23+版权所有，WileyVCH。（d）32×43mm2液晶显示器由四个串联设备供电，这些设备通过毛细管渗透从水滴中产生能量。经许可复制。[]版权所有，爱思唯尔。（e）由身体热量提供动力的水力发电能量采集器的示意图。经许可转载。*+版权所有，WileyVCH。（f）插图：LED操作的电路图（中）和由阳光诱导的水蒸发提供动力的树叶启发的能量收集泡沫（LIEHF）的流动电势/电流（右上角）。照片显示由九个串联的LIEHF点亮的LED。

用于传感器的基于CNT的能量收集装置。（a）卷曲CNT纱线作为表征胃变形的自供电传感器的部署示意图。胃的尺寸变化导致扭曲传感器拉伸和收缩，并将其转换为电信号。经许可转载。*13+版权所有，美国化学学会。（b）使用车身质量的用于安全带应用的加速度传感系统示意图。经许可复制。*15+版权所有，IEEE工业电子学会。（c）分别响应模拟游泳鱼和模拟潜艇产生的波浪的实时短路电流信号。（插图）机器人鱼（左）和机器人潜艇（右）的照片，以及使用CNT片压力传感器测量这些机器人设备的传感器输出。经许可复制。*16+版权所有，IEEE工业电子学会。（d）可拉伸μ的示意图（e）自供电无线TENG智能贴片的示意图。经许可复制。*+版权所有，爱思唯尔。（f）Teng嵌入可穿戴裤子的照片，用于监测行走情况。经许可转载。*95+版权所有，英国皇家化学学会。（g）左图，一个人戴着智能口罩，使用TEG进行呼吸频率检测。基于TEG的传感器嵌入口罩中，一侧直接暴露在空气中，另一侧靠近口腔。右，戴着口罩呼气和吸气的红外图像。吸气时，传感器靠近口腔一侧的温度降低，呼气时温度升高。（h）基于自供电TEG的传感器用于检测人体关节运动的示意图。（g-h）经许可复制。*34+版权所有，WileyVCH。（i）可拉伸、可穿戴的CNT/PVP/PU-TEG复合织物用于监测人体运动的示意图

（a）螺旋式和钳式双绞线收获机以及压电（PENG）和摩擦电（TENG）收获机的重量峰值功率和（b）平均功率与频率的比较。闭合符号和开放符号分别表示方波和连续变形。（a）和（b）中的数据来自龙卷风、*23-24+PENG、[-]和TENG的参考文献。[-]

总结和展望

综上所述，作者专注于基于CNT的纳米材料，全面介绍了各种新兴的能量收集原理（如电化学、水力、摩擦电、压电和热电效应），并讨论了基于不同CNT配置的能量收集优点。此外，我们总结了这些基于碳纳米管的能量收集模块的有前景的应用，包括微电源和自供电传感器。最后，概述了基于CNT的纳米发电机存在的挑战以及未来发展的前景。

参考文献

Hu,X.,Bao,X.,Zhang,M.,Fang,S.,Liu,K.,Wang,J.,Liu,R.,Kim,S.H.,Baughman,R.H.andDing,J.(),RecentAdvancesinCarbonNanotube-BasedEnergyHarvestingTechnologies.Adv.Mater..AcceptedAuthorManuscript.

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkzp/5715.html