近年来，关于二维纳米材料（2D nanomaterials）的研究取得了显著进展，尤其是在利用环境中多种能源形式进行高效能源收集方面。这篇综述文章由MD Al Mahadi Hasan、Yuanhao Wang（南方科技大学）、Chris R. Bowen（巴斯大学）和Ya Yang（中国科学院纳米能源与系统研究所）等联合撰写，于2021年3月3日发表在《Nano-Micro Letters》期刊上。文章致力于探讨二维纳米材料在太阳能、机械能、热能和化学能等多种能源收集中所展现的优异性能，并进一步介绍了它们在自供能传感器设备中的创新应用。
文章强调，能源消费与国家发展密切相关，突破性的新技术可在满足日益增长的能源需求方面发挥重要作用。随着石墨烯（graphene）的发现和广泛研究，二维纳米材料因其原子级的超薄特性、较大的比表面积与体积比、以及量子限制效应而逐渐成为能源领域的热点。相较于传统体材料，二维纳米材料通过提升电荷载流子迁移率和优异的导电性能，为能源转换和存储带来了前所未有的可能性。
此外，文章指出，这些材料在减少对传统电池依赖的同时，有助于发展环境友好型能源利用技术，例如太阳能光电池（photovoltaics）、压电和摩擦电纳米发电机，以及能量储存器件（超级电容）。在小型化电子设备到大规模工业应用方面，二维纳米材料显示出巨大的潜力。
文章从不同的能源形式入手，重点介绍了二维纳米材料在以下几种能源收集方法中的应用：
研究表明，二维材料的高电导率和热导性质促成了高效率的光伏器件、钙钛矿太阳能电池（perovskite solar cells，PSCs）及水裂解技术的发展。例如，石墨烯因其透明性和优异的导电性，被认为是透明电极和异质结光伏电池中的理想材料。此外，混合阳离子二维钙钛矿的表面对缺陷和光散射的抑制作用，也显著提升了太阳能转化效率。
在具体应用中，例如通过电化学气相沉积（CVD）合成的钙钛矿薄膜，其能源转换效率被提升至约25%。同时，搭载二维材料的太阳能水裂解装置则极大优化了光热及光电催化过程。
摩擦电纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）是利用机械力进行能源转换的两种重要技术。文章提到，二维纳米材料的制造灵活性和优异的电学性能，使得这些材料可被制成高性能的自供能设备。例如，基于二维氧化石墨烯（GO）分散液的液态电极TENG展现出更高的抗变形能力和灵敏度，可用于微型可穿戴设备或环境传感。
此外，二维材料解决了传统摩擦电和压电材料在高机械强度、电导率和介电常数等方面的短板。例如，TiO2掺杂聚二甲基硅氧烷（PDMS）的复合材料，不仅增加了摩擦电产能，还确保了设备的长期稳定性。
热电（thermoelectric）和热释电（pyroelectric）纳米发电机是利用二维材料将废热转化为电能的技术关键。文中详细讨论了诸如MoS2和WS2等过渡金属硫化物，以及锑烯（antimonene）等材料在热电系数（Seebeck coefficient）和功率密度表现上所取得的提升。此外，二维钙钛矿薄膜在太阳光触发热释电发电设备中的表现尤为优异，其输出功率密度达到高达36.1 mW/cm²。
在利用化学势能的领域，二维MXenes和金属-有机框架材料（MOFs）凭借其独特的电化学特性、较高的电荷密度和催化能力，成为设计高效离子扩散装置和化学电池的理想候选。文章还指出，二维MXenes可以显著增强渗透发电（osmotic power generation），该技术主要通过不同盐度的液体之间的电荷扩散产生电能。
文章通过丰富的实验数据和对比分析，突出二维纳米材料在实际生活中的潜在用途：
文章强调了二维材料在制造过程中体现出的技术创新： - 高效的化学气相沉积（CVD）和分层剥离技术已经能够以较低成本实现大面积二维材料； - 通过表面缺陷工程、异质结设计和表面改性提升了材料的光电转换和机械弹性性能。
这种从材料至结构，实现性能不断优化的思路，为科学家开发更高效的能源设备开辟了全新方向。
综上所述，文章提出了一种围绕二维纳米材料的综合能源收集策略。二维材料的多功能性、环境友好性、轻便性与高性能，证明其能为传统能源设备的迭代升级带来深远影响，对解决全球能源问题具有重要价值。同时，文章也指出了当前二维材料成本较高、批量化生产存在挑战等亟待解决的问题。未来的研究需在生产工艺优化、稳定性提升及设备集成化设计等方面有所突破。
总之，这篇综述汇总了二维纳米材料在能源收集中前沿发展的全景描述，也为相关领域的学术和技术工作者提供了重要的研究参考。