摩擦伏特纳米发电机（TVNGs）具有高电流密度、低匹配阻抗和连续输出等特点，有望解决小型电子设备的供电问题。 然而，摩擦界面的磨损会严重降低TVNG的输出电流密度和寿命。 本文使用MXENE水溶液作为TVNG的界面润滑剂，可以同时将TVNG的输出电流密度和寿命提高到754 mA m，并实现创纪录的90,000次循环寿命。 MXENE水溶液不仅能提高载流子传递效率，增强电流密度，而且由于其优异的润滑性能，可以减少界面磨损。 此外，MXENE水性润滑策略在不同类型的半导体系统中显示出多功能性。
mxene lubricated tribovoltaic nanogenerator with high current output and long lifetime
wenyan qiao, linglin zhou, zhihao zhao, peiyuan yang, di liu, xiaoru liu, jiaqi liu, dongyang liu, zhong lin wang, jie wang*
nano-micro letters (2023)15: 218
本文亮点：
成功解决TVNG寿命关键问题（已达到 90,000 次循环）。同时增加其输出电流密度 （754 mAM）。
提出以MXENE为添加剂的导电极性液体同时存在提高TVNG电输出性能和耐久性的主要因素
首次从溶液极性的角度解释了润滑TVNG输出性能提升的机理
MXene水溶液可用于不同类型的半导体系统（Cu和P型Si，以及以Cu和N型Gaas为材料对的TVNGS）。多面性
介绍
随着可持续可再生能源的快速发展，出现了大量的便携式电子设备和分布式传感器。 目前，大多数电子设备和传感器都需要外接电池供电，这增加了设备更换成本，带来了巨大的生态负担。 Tribovolt纳米发电机（TVNG）可以直接产生直流电，直接从环境中收集能量，为小型电子设备和分布式传感器供电，而无需任何整流器，推动人类社会进入大数据、人工智能和物联网时代。 然而，严重的硬接触会造成严重的磨损，导致TVNG的输出性能迅速下降，这是TVNG实际应用中亟待解决的问题。 在这项工作中，北京纳米能源与系统研究所王杰研究员课题组首次提出了一种MXENE水溶液润滑TVNG（MXENE-TVNG），可以同时提高TVNG的电流密度和寿命。
通过使用MXENE水溶液作为润滑剂，宏观滑移模式金属半导体TVNG首次实现了754 mA m的高电流密度和创纪录的90,000次循环寿命。 通过研究不同润滑剂的极性和电性能对TVNG电输出性能和耐久性的影响，发现导电性好的极性液体润滑剂可以填充界面间隙，有效降低TVNG的界面动态电阻，从而获得更高的电子-空穴对转移效率。 MXENE-TVNG的输出电流密度分别为原TVNG和oil-TVNG的1048 次和 3146次。 此外，MXENE等2D材料可作为润滑添加剂，显著减少界面处的机械磨损，从而延长TVNG的使用寿命。 因此，MXENE-TVNG在90,000次循环后仍能保持90%的初始电流密度。 MXENE解决方案在各种tvNGS中展示了Cu和P型硅、Cu和N型Gaas材料对的多功能性。
**导读
i含界面润滑剂的tvNGS的结构与性质
含界面润滑剂的TVNGS的结构和性能如图1所示。 图1a为TVNG的3D结构图，放大图为MXENE水溶液的结构; 图1B-C使用透射电子显微镜和扫描电子显微镜表征MXENE; 使用上述结构，绘制了滑动相对于硅片的相对速度和位置随时间的变化（图1d）。 基于上述结构，通过更换界面润滑剂（油润滑剂、无润滑剂、水润滑剂和MXENE水溶液润滑剂）比较了OIL-TVNG、ORIGIN-TVNG、DI-TVNG和MXENE-TVNG的输出电流和峰值功率密度，其中以MXENE水溶液为界面润滑剂的TVNG输出电流和峰值功率密度最大。 图1g 通过比较电流密度和寿命这两个因素，本作品中的MXENE-TVNG表现出高电流密度和长寿命。
图1tvNGS与界面润滑剂的结构和性质。 （a） TVNG的三维结构及其外部电路接线图。 放大图显示了MXENE水溶液润滑剂的主要成分Ti C T MXENE的结构式。 （B）MXENE的透射电子显微镜（TEM）图像。 （C）MXene的扫描电子显微镜（SEM）图像。 （d） 铜滑块和半导体晶圆的相对位置和速度随时间的变化。 （e） 润滑油用量为5l，施加压力为10n（实验条件：转速0.）。1 ms，位移20 mm），比较了不同润滑剂对TVNG界面短路电流输出的影响。（f） 不同tvNGS在匹配阻抗下的最大峰值功率密度和相应的短路电流（实验条件：压力10 N，位移20 mm，润滑5 L）。 （g） 基于摩擦伏特效应的各类宏观TVNG的电路密度和寿命比较。
ii不同界面润滑剂对TVNG（P型Si和Cu）输出性能的影响.
使用P型Si和Cu作为TVNG的摩擦学材料对（图2a），图2b-c分别是P型Si和Cu表面的AFM图像，表明摩擦学材料的表面不平整且不完全光滑。 图2d显示了不添加界面润滑剂和添加界面润滑剂的界面放大视图。 通过对比测试不同TVNGs的动态电阻（图2e）、不同润滑剂的电导率（图2f）以及不同润滑剂和半导体在固液界面处的摩擦伏特效应（图2g），结果表明，当使用MXENE极性更强的水溶液作为界面润滑剂时，MXENE-TVNG的动态电阻较小， 并且输出电气性能更高。图2h和图2i分别改变了MXENE水溶液的浓度和MXENE水溶液的用量，随着浓度和用量的增加，Mxene-TVNG的输出性能会提高，但会有一个阈值，并且不会一直增加。 此外，MXENE-TVNG具有2 K的低匹配阻抗，峰值电流为4370 A，最大峰值功率密度为 1528 mW M-2（图2J）。
图2不同界面润滑剂对TVNG（P型Si和Cu）输出性能的影响.（a） 摩擦材料对为Cu和P型Si。 （b）铜的原子力显微镜（AFM）图像。 （c） P型SI的AFM图像。 （d） TVNG的平面结构和微观结构。 i. 无润滑油的TVNG界面的微观结构。 ii MXENE-tvng的界面微观结构。 （e） OIL-TVNG、ORIGINAL TVNG、DI-TVNG、MXENE-TVNG的动态电阻。 （f） 润滑油的电导率。 （g） 不同润滑剂和P型硅之间滑动摩擦产生的短路电流的比较，注射器针头和P型硅之间的距离约为1毫米。 （h）不同浓度的MXENE溶液（实验条件：压力10 N，速度0。1 ms，位移 20 mm，5 L MXENE 溶液）。（i） 不同量MXENE溶液下的短路电流（实验条件：压力10 N，流速0.）。1 ms，位移 20 mm，MXENE 溶液 125 毫克毫升 J）MXene-TVNG在10 N压力下，10 L MXENE溶液作为界面润滑剂（实验条件：速度02 ms 位移 20 mm 时为 2 ms）。
iii液体润滑TVNG（P型Si，Cu）的工作机理。
图 3a、b 和 c 分别是原始 TVNG、oil-tvng 和 di-tvng 的电子-空穴对转移和能带图。 电子-空穴对的转移只能发生在原始TVNG的硬接触界面上（图3A）; 在OIL-TVNG的界面处会形成一层薄薄的油膜，这会影响电子-空穴对的转移，但仍有一部分直接接触会引起电子-空穴对的转移，因此OIL-TVNG的输出电流密度会低于原来的TVNG（图3B）。 在di-tvng界面添加高极性水溶液可以增加界面处的载流子密度，提高载流子传递效率，从而增加电流密度输出（图3c）。
图3液体润滑TVNG（P型Si和Cu）的工作机理。 （a） 无润滑剂下TVNG的界面电子-空穴对转移及能带图。 （b） 油-tvng界面的电子-空穴对转移和能带图。 （c） MXENE-tvNG的界面电子-空穴对转移和能带图。
iv液体润滑TVNG（P型SI）的稳定性。
与原始TVNG相比，原始TVNG在2500次循环后保留了38%的原始输出，而MXENE-TVNG在90,000次循环后保留了90%的原始输出（图4A）。 图4b显示，稳定性测试后的硅片通过扫描电子显微镜进行扫描：（i）没有润滑剂，表面有可见的划痕和材料转移（图4C），（ii）使用MXENE水性润滑剂，表面磨损较小，没有材料转移。 图 4D 在原始 TVNG 和 MXene-TVNG 稳定性测试后测试了 P 型 Si 的表面粗糙度，其中没有润滑剂的 P 型 Si 磨损粗糙度。 图4E测试了原有TVNG、Di-TVNG和MXene-TVNG的摩擦系数，加入MXene水溶液时，TVNG界面摩擦系数较小。
因此，图4f中的2D表面轮廓仪图像显示，（ii）添加MXENE水性润滑剂的表面划痕深度较小。 MXENE解决方案的耐磨机理如图4G和4H所示。 在TVNG的情况下，在直接接触位置产生摩擦碎片（放大的图像显示Cu和Si直接接触表面之间的摩擦碎片），磨损碎片继续加速界面磨损，导致输出迅速下降（图4G）。 MXENE溶液的加入在TVNG界面处产生直接和润滑的接触（图4H），从而从接触部位去除产生的碎屑，减少磨损，并保持TVNG的稳定输出。
图4液体润滑TVNG（P型SI）的稳定性。（a） MXENE-TVNG与原始TVNG的稳定性比较。 （B） 无润滑剂 P 型硅的扫描电子显微镜 （SEM） 图像与稳定性测试 （I） 和 MXene-TVNG 的扫描电子显微镜 （SEM） 图像与稳定性测试 （II）（比例尺，50 m）。 （c）TVNG（P型Si）在没有润滑剂的情况下摩擦时会发生物质转移，这会影响输出稳定性，即通过能量色散光谱测量的物质转移光谱。 （d） 原始晶圆、MXENE溶液润滑晶圆和非润滑晶圆的粗糙度比较。 （e）润滑TVNG（P型Si）的不同润滑剂的摩擦系数和摩擦系数。 （f） 90,000 次稳定性测试后免润滑 P 型 Si 的 2D 表面轮廓仪图像，以及 90,000 次稳定性测试后的 MXENE-TVNG （II） 2D 表面轮廓仪图像。 （g） 在没有界面润滑剂的情况下TVNG的界面磨损。 （h） MXENE溶液用作界面润滑剂，以减少界面磨损。
vMXENE-TVNG（N型砷化镓）的性能研究。
用N型砷化镓代替P型Si，以Cu、N型砷化镓和润滑剂为摩擦副，形成TVNG。 图5a和图5b分别显示了TVNG的原理图和频带图。 图5D显示了改变界面润滑剂类型后TVNGS的I-V曲线，使用润滑剂不改变TVNG的精馏特性。 图5e比较了不同润滑剂TVNG在不同压力条件下的电流输出，以MXENE水溶液为润滑剂的TVNG输出最高。 MXENE-TVNG具有6 K的低匹配阻抗和3的峰值电流587 A，最大峰值电流密度为 3088 MWM（图5f）。 还测试了TVNG的稳定性，并在80,000次循环后保持了93%的初始输出（图5G）。 图5H-L比较了SEM图像、材料转移光谱、二维表面轮廓仪图像和摩擦系数，表明用MXENE水溶液润滑的TVNG具有更好的耐久性和更长的使用寿命。
图5MXENE-TVNG（N型Gaas）的性能。 （A） 滑动TVNG（N型Gaas、Cu和MXENE水溶液）的工作原理。 （b）和（c）滑动MXENE-TVNG（N型Gaas）的能带结构图。 （d） 比较了TVNG（N型Gaas）界面在5 L和10 N下的I-V曲线。 （e） 不同润滑剂TVNG（N型砷化镓）在10 N、5 N和2 N压力下的比较（实验条件：润滑剂5 L，速度0。1 ms 和 20 mm 位移）。（f） MXene-TVNG（N型砷化镓）在不同负载下的峰值电流和峰值功率密度，5 LMXene水溶液作为界面润滑剂（实验条件：速度0.）。1 ms，位移为 20 mm）。（g） MXENE-TVNG（N-型砷化镓）的稳定性试验。
H） 经过稳定性测试（I）的免润滑N型砷化镓和经过稳定性测试（II）的MXENE-TVNG（N型砷化镓）的SEM图像（比例尺，50 m）。（i） 不含润滑剂的TVNG（N型砷化镓）在摩擦时会引起物料转移，从而影响输出稳定性。 （j）润滑油TVNG（N型砷化镓）的摩擦系数和摩擦力。 （k） 90,000 次稳定性测试后 （i） 无润滑剂的 N 型砷化镓的 2D 表面轮廓图像，以及 90,000 次稳定性测试后的 MXene-TVNG （ii） 2D 表面轮廓仪图像。 （l） 原始N-Gaas在大约1100次循环稳定性测试后的粗糙度与MXENE水溶液润滑的N-Gaas在大约1100次循环稳定性测试后的粗糙度比较。