综述-MOF应用于摩擦纳米发电TENG和自充电能源器件

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一、摘要：从惰性填料到多功能核心赋能材料
MOFs凭借独特的多孔结构成为摩擦纳米发电机TENGs领域的新型功能材料。区别于传统纳米填料的单一改性作用，MOFs可通过功能化修饰、复合改性、结构调控，兼顾TENG摩擦对介电常数调节、表面电荷富集、电荷捕获传输三大核心作用，有效破解传统TENG输出功率低、高湿高温环境稳定性差、电荷转移速率慢等行业痛点。
本综述系统梳理MOFs及MOF基复合材料在TENGs中的应用策略，总结高湿极端工况下的性能优化方案。

二、TENG材料改性的三个研发迭代阶段
1. 传统填料改性阶段
早期TENG性能优化以常规无机、碳基填料改性为主，常用材料包括二氧化钛、氧化石墨烯、MXene、层状双金属氢氧化物等。该阶段核心逻辑是通过填料提升摩擦层表面粗糙度与介电性能，小幅提升器件输出性能，但存在改性单一、环境适应性差、性能提升上限低的问题，无法解决高湿环境下器件性能骤降、电荷复合过快的核心缺陷。
2. 纯MOF直接应用阶段
1) ZIF、UiO、MIL等经典MOFs直接作为摩擦层材料应用于TENGs。依托MOFs超高孔隙率与超大比表面积，可实现高密度电荷富集，显著提升表面电荷密度。
2) 但该阶段短板突出，纯MOF材料机械稳定性差、反复摩擦易结构破损，器件使用寿命短，难以满足可穿戴设备、智能传感的长期使用需求。
3. MOF复合功能化创新阶段
1) 一方面通过给电子、吸电子基团修饰调控MOF摩擦极性，实现正、负摩擦层双向适配；
2) 另一方面将MOFs与高分子、碳材料、MXene复合，兼顾结构稳定性、电荷传输效率与极端环境耐受性，同时搭建MOF-TENG与超级电容器集成体系，真正实现机械能采集-储能一体化自供电系统。

三、核心性能优势：精准调控适配多场景工况
1. 介电性能精准调控，提升表面电荷密度
TENG输出电压、短路电流与摩擦层介电常数直接正相关。MOFs可通过粒径调控、基团修饰精准调节高分子摩擦层介电常数。
典型案例：UiO-66-4F掺杂改性PDMS摩擦层，纯PDMS表面电位仅-1.4 V，改性后平均电位提升至-6 V，当MOF掺杂质量比为9%时，介电性能达到峰值，器件功率密度实现跨越式提升。
2. 双向摩擦极性可调，适配全摩擦对体系
MOFs可通过配体基团改性、带隙调控，实现摩擦极性可逆切换，既可作为负摩擦层也可作为正摩擦层，适配不同摩擦配对体系。
吸电子基团（-NO₂、-Br）修饰的UiO-66可强化负摩擦特性，输出性能排序为PDMS@UiO-66-NO2 > PDMS@UiO-66-Br > 纯UiO-66；而给电子基团（-OH、-NH₂）修饰的MOFs可赋予聚氨酯正摩擦特性，适配铜、铝等金属对磨材料。
3. 高湿环境稳定工作，突破工况限制
传统TENG在高湿环境下，摩擦层表面易形成水膜，导致电荷流失、性能大幅衰减。MOFs的多孔纳米通道可实现水分子可逆吸附-脱附，锁定摩擦电荷。
1) HKUST-1掺杂PDMS制备的TENG，依托MOF多孔结构捕获摩擦电荷，在高相对湿度环境下仍能保持稳定输出，解决了传统器件湿敏失效的核心难题。
2) 另有Co-NPC/PVDF复合TENG，在95%超高湿度下仍可实现948 V开路电压、19.24 W/m²的超高功率输出。

四、改性与应用实例
1. MOF基负摩擦层改性体系
该体系以高分子材料（PDMS、PVDF、Ecoflex）为基底，功能化MOFs为纳米填料，核心强化电子捕获能力。
Wen等人的研究证实，硝基改性MOF可构建更深的电位阱，大幅提升铜-PDMS摩擦对的电子转移效率，器件转移电荷、输出电流显著优于纯高分子基底。同时，MOF掺杂可诱导PVDF生成高活性β相，进一步强化介电与摩擦起电性能。
2. MOF基正摩擦层改性体系
针对传统金属正摩擦层易氧化、穿戴舒适性差的问题，MOFs及MOF复合材料成为新型正摩擦材料。
1) 双金属Co/Zn MOF包覆柔性导电织物，搭配PTFE负摩擦层，可稳定输出7 μA电流、47 V电压；
2) 环糊精基MOF与特氟龙配对，可实现152 V、1.2 mA的优异输出，适配柔性可穿戴传感设备。
3. MOF多元复合改性体系
MOFs与MXene、氧化石墨烯复合可互补材料优势：MXene高导电性解决MOF导电短板，MOF多孔结构抑制MXene片层堆叠、抗氧化失效。
1) ZIF-8/MXene共改性PDMS体系，可优化材料表面疏水性，成功应用于液滴机械能采集；
2) 石墨烯量子点@MOF-5复合材料则大幅提升电子迁移率，器件可实现885 V超高开路电压，适配高精度自供电传感器。

4. 柔性电极改性应用
MOFs可用于柔性水凝胶电极改性，ZIF-8作为纳米填料掺杂水凝胶，可将电极拉伸性能提升2.7倍，兼顾柔韧性与导电性，完美适配可穿戴、柔性智能纺织品的形变需求。

5. 自充电集成系统
1) 将ZIF-67基TENG与超级电容器集成，依托摩擦光伏效应直接生成直流电，省去复杂整流电路；
2) ZIF-8@MXene改性微型超级电容器搭配功率管理模块，充电速率是传统整流电路体系的14.5倍,系统储能效率可达70%–85%可广泛应用于物联网传感器、便携电子设备、智能屏幕管理等场景。

六、问题与总结
1. 现存问题：
1) 纯MOF材料机械稳定性不足，长期反复摩擦易结构破损，器件循环寿命有限；
2) 多数MOF基TENG输出电流仅为微安级，电荷连续传输能力弱；三是材料规模化制备成本较高，限制产业化落地。
2. 未来研发重点
摒弃单一孔隙结构优化思路，聚焦基团功能化、缺陷工程、多元复合精准设计；优化全MOF集成器件结构，简化电路体系、降低阻抗失配损耗；开发低成本、高稳定MOF复合体系，推动自供电传感器、可穿戴能源器件的产业化应用。

文章标题：Metal-Organic Frameworks as Multifunctional Materials for Triboelectric Nanogenerators Applied in Self-Charging Power Sources
文章作者：Helinando Pequeno de Oliveira*
DOI：10.1021/acsomega.6c03646
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.6c03646

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