厦门大学谢燕楠：基于MoS2/PU光热层的柔性光热电纳米发电机

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随着经济的快速发展，化石燃料的消耗量急剧增加，以满足能源需求，导致全球变暖和环境污染。发展清洁和可再生能源技术对于人类社会的可持续发展至关重要。将环境能量转化为电能的能量收集技术已经收到了广泛的关注。起源于麦克斯韦位移电流的纳米发电机被广泛认为是一种有前途的机械能收集技术，在蓝色能源、自驱动传感器和植入系统中巨有着巨大的应用潜力。除了机械能，热能在我们的生活环境中也是非常丰富和普遍存在的，但它通常被浪费，现在普遍利用热释电效应和热电效应来发展热能收集技术。热释电效应是指由温度变化引起的某些各向异性固体中的极化状态改变，使两个极化表面产生不对称电位而产生电。此外，当出现热电效应现象时，电能也可以通过材料/装置中的温度梯度产生。与热释电能量收集装置相比，热电装置在实际应用中被广泛认为是更有用、更有效的。然而，当环境温度在空间中一致即没有任何梯度时，如何利用热电来收集热能仍然是一个关键和待克服的问题。关键的挑战是要在装置中创造一个显著的温差(△T)，以驱动热电发电机。在我们的生活环境中，除了直接热源外，光源(如红外光)也可以通过光热效应提供热能。基于光热效应和塞贝克（Seebeck）效应，光热电发电机被迅速研究用于在环境中没有空间温度梯度的情况下将光能转化为电能。为了产生所需的温度差,传统的方法是利用各种笨重的组件如真空罩、聚光透镜、散热器，这些额外的模块不仅会增加热电发电机的重量和尺寸，而且不利于整个设备的柔性，而柔性对可穿戴电子设备来说是非常重要的。最近, Jung等人报道了可穿戴式便携式的光热电发电机，该装置是利用超晶格结构吸收太阳光并在横向产生一个高温差。然而，该太阳能吸收器需要复杂的设计过程，其生物相融性也可能是一个大问题。因此，开发出新型的光热材料和器件结构是光热电纳米发电机(PTENG)的关键。

二维(2D)材料，如石墨烯和过渡金属硫化物(TMDC)，在电子、催化、储能和光学器件等领域引起了极大的关注。其中，二硫化钼(MoS2)是典型代表，它具有优良的电子性能和力学性能。近年来，MoS2被证明是一种比氧化石墨烯和金纳米棒具有更高吸光度的光热材料。到目前为止，大多数关于MoS2报道只关注在生物医学应用，如癌症治疗或药物释放，但关于能量采集技术的应用研究很少，尤其是光热电发电机。

近日，厦门大学能源学院谢燕楠博士课题组与台湾清华大学生物医学工程研究所林宗宏博士课题组合作，报道了一种柔性的光热电纳米发电机(PTENG)，它由MoS2/PU光热层与基于碲(Te)纳米线的热电装置相结合形成。由于MoS2纳米簇具有极大的比表面积，使MoS2/PU膜具有柔性、可转移性和良好的光热特性。碲纳米线被用于制造热电纳米发电机是因其具有良好的热电性能，如导热系数低，温度范围宽。通过将光热层与热电装置相结合，PTENG可以吸收红外光，从而在设备中形成温度差，进而两个电极之间的电位差就可以建立起来用于发电。因此，PTENG可以在没有空间温度梯度的情况下产生电能。此外，柔性和形状自适应的PTENG可以很好地应用于可穿戴电子和植入式电子设备的光热电能量转换。谢燕楠和林宗宏博士为共同通讯作者，共同第一作者为何明会（厦门大学）和林玉箴（台湾清华大学）。