研究背景

微电子设备，如微电子机械系统(MEMS)和医疗保健监测设备，以及传感器网络在建设以物联网(IoT) 为代表的可持续和"智能生活"方面发挥着关键作用。其中，众多自主的微电子设备和传感器将建立一个庞大的通信网络，这些设备和传感器从人体内部分布到地球上的任何地方。这突出了为这些微电子设备配备安全可靠的微型电源的迫切需要。因此，人们非常关注开发微尺寸的储能设备，包括微型电池和微型超级电容器。然而，仅用传统的储能设备为这些广泛分布的微电子设备供电是不现实的，因为它们的能量密度有限，而且部署在偏远地区时很难更换电池。此外，随着集成电路技术的发展，许多功能性微电子器件可以在非常低的体积功率密度下工作(即，大约1 mWcm^-3或更低)，使它们甚至可以方便地在有限的电力供应下工作。此外，许多传感器有望在待机模式下工作，消耗的功率可以忽略不计，只是间歇性地唤醒，以进行和传输测量。因此，开发微型能量采集模块以建立一个自供电系统，可以成为实现低成本、耐用和生态友好的微电子装置的一个有前途的战略。为了开发高性能的微型能量采集模块，人们正在做出巨大的努力来研究合适的材料以有效地捕获各种环境能源。二维(2D)材料已经引起了广泛的关注，因为它是在微型能源采集领域中可能延长摩尔定律的有力候选材料。作为二维材料家族的新成员，MXenes(即二维过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物)在这一领域非常有前途，因为它具有许多有利于采集各种环境能源的优点。(1) MXenes通常具有金属电子传导性，因此，其捕获的能量在转化为电能的过程中损失较小；(2)MXenes的二维性质使其具有高比表面积和高长宽比，这将使基于它们的纳米结构在小尺寸内拥有大的有效面积。(3)与其他溶液加工的二维材料相比，MXenes 拥有相对较好的机械稳定性，使其在用于能量捕获时具有较高的耐久性和可靠性;(4)丰富的官能团使MXenes具有高亲水性和独特的表面电荷分布，这有利于在水环境中产生电流; (5) 通过设计不同的元素组成和官能团，MXenes具有高度可定制的特性，可以用来针对各种能量捕获情况。基于上述优势，自2011年以来，各种基于MXene的纳米结构已被应用于捕获环境能量，并取得了令人鼓舞的结果。基于MXene的能量收集模块可以作为微动力源，为微型储能设备(如超级电容器、电容器充电或为微型电子器件(如手表)供电。此外，它们可以作为自供电的传感器，直接输出可处理的信号，以监测环境变化或身体运动。MXenes在能量收集方面的巨大潜力和优越性也反映在最近大量的高知名度的出版物上。最近两年，这一新兴领域的发表作品呈指数级增长。因此，本综述旨在提供一个及时的回顾，总结MXenes在能量收集方面的进展，并促进其进一步发展。

成果简介

能量收集模块在自主自供电的微电子装置的发展中发挥着越来越重要的作用。MXenes(即二维过渡金属碳化物氮化物)由于其出色的电子传导性、大的比表面积和可调整的特性，最近已成为能源应用的有希望的候选者。在这篇综述中，阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef和南京信息工程大学Yi-Zhou Zhang教授提出了利用MXenes从环境中的各种来源收集能量的观点。首先，系统地介绍了MXenes促进能量捕获的特性，并总结了MXenes 及其衍生的纳米结构的制备策略，以适应这种应用。随后，讨论了不同能量来源(如太阳能、热电能量、摩擦静电能、压电能量、盐度梯度能量、电动力学能量、超声波能量和湿度能量)的采集机制。然后介绍了基于MXene的纳米结构在能量收集方面的最新进展，以及它们的应用。最后，对基于MXene的纳米结构在能量收集方面的现有挑战和未来方向提出了自己的看法。

图文导读

Figure 1. Overview of different energy sources that can be harvested by MXene-based energy harvesting devices. 

Figure 2. (a) The Element periodic table that highlights in “M,” “A,” and “X” elements of the known  MAX phases. (b) Schematics of the synthesis process of MXene from MAX phases. Here M₃AX₂ MAX phase and M₃X₂T_x MXenes are shown as examples. 

Figure 3. MXenes for solar energy harvesting. 

Figure 4. MXenes for thermoelectric energy harvesting. 

Figure 5. MXenes for thermoelectric energy harvesting. 

Figure 6. MXenes for piezoelectric energy harvesting.

Figure 7. MXenes for salinity gradient energy harvesting. 

Figure 8. MXenes for electrokinetic energy harvesting.

Figure 9. MXenes for ultrasound energy harvesting.

Figure 10. MXenes for humidity energy harvesting. 

Figure 11. MXene-based energy harvesting devices as micropower sources.

Figure 12. MXene-based energy harvesting devices for self-powered sensors. 

总结展望

在本综述中，作者介绍了MXenes及其衍生的纳米结构的制备策略，及其他们利于能量收集的特性。接着作者讨论了不同类型的能源（太阳能、热电、摩擦静电、压电等）的采集机制以及基于MXenes的纳米结构在采集这些能源方面的进展。此外，总结了这种基于MXenes的能量收集模块的应用，包括微动力源和自供电传感器。最后，概述了基于MXenes的纳米结构在能量收集方面的现有挑战，并提出了未来发展的前景。MXenes可以在性能优化、器件配置设计和实现新的应用方面大大改善各种能量收集装置的性能。尽管在开发基于MXenes的能量收集方面已经取得了重大进展，但这个领域仍然处于起步阶段。需要做出巨大努力来克服多种挑战，并以多种方式提高基于MXenes的能量收集器的性能。未来对基于MXenes的能量收集的研究可以分为三个方向：MXenes的合成、能源以及能量收集器的开发。

文献链接

MXenes for Energy Harvesting, Adv. Mater., DOI:10.1002/adma.202108560

https://doi.org/10.1002/adma.202108560