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摩擦起电现象在人类的日常生活中极为普遍并且一般作为不利因素需要被消除。然后，摩擦起电过程作为一种高效、稳定地实现电荷分离和积累的过程，其背后潜在的科学问题及其应用长久以来被人们忽视。近年来，摩擦纳米发电机的提出和发展，正是利用了摩擦起电过程的普遍性、高效性以及稳定性。摩擦纳米发电机是基于摩擦起电现象与电荷诱导效应，在两个摩擦层间产生净的电荷转移。这些摩擦电荷在电极上诱导产生电势差，并随着摩擦层相对位置的变化，在外电路中产生电流。从本质上而样，这种电流属于麦克斯韦位移电流。作为一种新型能源器件，摩擦纳米发电机很好地弥补了传统电磁发电机的一些弊端，对低频振动、不规则运动等形式的机械能有很好的收集效果。在诸如海洋能、风能、生物能等能源收集领域显示了良好的应用前景。此外，摩擦纳米发电机也在传感领域，包括电化学传感、力学传感、人机交互等方面也获得了很多应用。对于摩擦纳米发电机的研究也已经在物理、化学、材料学、工程学、生物学等很多领域开展起来。这些研究提高了摩擦纳米发电机的输出性能，也扩展并优化了很多应用，实现了很多功能化的器件。本论文从材料学、传感器和能源收集的角度，设计、构筑了新型摩擦纳米发电机，并开展了将摩擦纳米发电机应用在传感、能源领域的研究。本文的研究工作主要包括以下几点: 1.提出并构筑了一种超轻型摩擦纳米发电机，并将其应用在微小机械能的收集和主动式加速度传感器。功能器件的轻量化可以带来很多好处，例如，轻型器件意味着在运输或者运动中更低的能量损耗，轻型力学传感器也更灵敏。考虑到在摩擦纳米发电机中可以广泛使用天然或者人工合成的高分子材料，同时很多高分子材料的密度都较低，我们开发了一种超轻型的摩擦纳米发电机。这种新型摩擦纳米发电机结合了泡沫碳材料与聚合物纳米线，实现了器件的轻量化。泡沫碳材料的三维中空骨架网络结构保证了材料具有很好的机械性能的同时，也具有很低的密度。而聚合物的纳米线结构疏松，使得摩擦层的质量大大降低，并且接触面积也得到提高。这种超轻型摩擦纳米发电机器件质量不超过0.1g，作为主动式加速度传感器，在0.25-10m/s2的范围内具有良好的线性响应。该工作进一步体现了摩擦纳米发电机作为一种能源器件，在材料选择、制备合成等方面的多样性，也证实了摩擦纳米发电机作为加速度传感器的应用前景。 2.通过结合单电极和双电极摩擦纳米发电机各自的优点，开发了一种多功能的触觉传感系统。人类的触觉是一种高度复杂并且功能很多样的传感系统。开发具有相似功能的人工触觉系统的研究受到人们的持续关注。考虑到触觉的作用过程与摩擦运动的相似性，基于摩擦纳米发电机的触觉传感器不断被研究出来。这些研究主要集中在单一触觉领域的传感（例如接触觉、滑动触觉等），而人类的触觉却是多功能的系统。针对此状况，我们开发了一种多功能的触觉传感系统，这种新型多功能触觉系统综合了单电极摩擦纳米发电机在接触、定位等领域的优势，同时也结合了双电极在力学传感领域的优势，实现了对接触、相对硬度、触点位置以及接触外力的传感。该触觉传感器在40-140N的范围内，对外力有良好的线性响应。这项工作不但提出了一种多功能触觉传感系统的构筑方法，也进一步展示了摩擦纳米发电机在触觉传感领域的应用。 3.将柔性摩擦纳米发电机与光电催化水解反应结合，实现了一种复合收集机械能和太阳能的产氢系统。对环境中能源的高效收集利用技术是实现绿色可持续发展的关键技术之一，这些技术可以分为以下两类:第一类是:“节流”，也就是提高对单一能源的收集转换效率。而考虑到环境中很多能源共存的特点，这衍生出了第二类技术，也就是是“开源”。它是尽可能收集环境中的多种能源类型，并将它们统一收集利用，也就是所谓的复合能源技术。通过结合柔性纳米发电机技术与传统光电水解反应，我们构筑了一种复合收集机械能和太阳能的产氢系统。这种复合系统不同于一般的复合系统，他们系统中的各个能量收集模块之间不存在相互关系。而在我们所构筑的系统中，发电机所收集、产生的电能对光电催化中光的吸收利用具有促进作用。此外，考虑到太阳能的季节性、时效性，柔性摩擦纳米发电机在光照条件不好的情况下也可以作为辅助能源来电解水产氢，从而实现了一种稳定、高效的产氢模式。