收集所有可獲得的清潔能源是一項(xiàng)重要戰(zhàn)略，有助于消除目前對(duì)不可再生能源的依賴。近年來，摩擦電納米發(fā)電機(jī)作為一種新型的機(jī)械能收集器受到人們的關(guān)注，它是電池的有效替代品，尤其適用于便攜式設(shè)備。在這里，通過加入氮摻雜石墨烯(N-石墨烯)，增加了少層石墨烯基電極的電容，使TENGs的輸出功率提高了3倍。研究了不同類型N-石墨烯的電子性質(zhì)、摻雜濃度以及N-吡啶和N-石墨位的相對(duì)含量對(duì)TENGs性能的影響。這些位點(diǎn)具有不同的電子親和力，并協(xié)同作用于N-石墨烯的電容性和電阻性的變化，從而影響TENG性能。結(jié)果表明，當(dāng)N-石墨烯（一個(gè)N-半導(dǎo)體）與正摩擦電材料和電極界面接觸時(shí)，TENG的功率增強(qiáng)，而當(dāng)它與負(fù)摩擦電材料界面接觸時(shí)，觀察到電性能下降。這種行為可以用N-石墨烯的量子電容對(duì)電極化學(xué)勢(shì)的依賴來解釋，其通過在摩擦生電時(shí)在兩個(gè)電極上產(chǎn)生的相反極化而移動(dòng)。
圖1. N-摻雜石墨烯材料的N 1s XPS譜:a) N1;b) N2;c) R-N。
圖2. 拉曼光譜分析。每個(gè)樣品至少獲得和分析了100個(gè)光譜。a) D、G峰區(qū)的N2單譜擬合顯示存在D、D
*、G、D?峰; b) 2D區(qū)域的N2單譜擬合顯示存在2D、D+D?和2D?峰; c) 2D峰位與對(duì)應(yīng)G峰位的分布情況; d) G峰FWHM值(FWHM G)隨對(duì)應(yīng)G峰位置的分布。
圖3. a)觸點(diǎn)間隔工作模式下使用的TENG結(jié)構(gòu)示意圖。b)和c)顯示了嵌入PVDF膜的摩擦電極的SEM橫截面圖像。
圖4. 兩種設(shè)備配置的TENGs瞬時(shí)輸出功率測(cè)量:a)和c)在正摩擦材料(尼龍)( FLG/ PU_X/nylon // PVDF/FLG)的界面上引入功能性Pu夾層;RMS功率:6.95 μW, PU_N1;8.25µW PU_N2;6.45µW, PU_r-N;6.3µW ,PU-only;無夾層的TENGs為5µW。b)和d)在與負(fù)摩擦材料(PVDF) (FLG/nylon // PVDF/PU_X/ FLG)的界面處引入夾層。c)和d)達(dá)到V
OC飽和條件,連續(xù)循環(huán)200秒后測(cè)量的開路電壓(V
OC)。(外力10 N，工作頻率5 Hz, 4×4 cm
2, 5mm;用40 ΩM探頭采集V
OC)。
圖5. a)由Au/PU-interlayer/Au (PU_N1;PU_N2;PU_r-N)組成的三明治狀器件上獲得的阻抗譜)。插圖顯示了高頻區(qū)域的阻抗譜。b)瞬時(shí)峰值功率與N
pyr/(N
graph +N
pyr)比的關(guān)系。c)瞬時(shí)峰值功率與電容電阻比(C/R)的關(guān)系。d)擬合圖a)中阻抗譜的等效電路。e)表示N
pyr和N
graph在N-石墨烯電容增加的協(xié)同作用的方案。
圖6. a)N-摻雜石墨烯在負(fù)摩擦材料界面時(shí)的感應(yīng)電位(V
oc)損失的機(jī)理基礎(chǔ)示意圖，b) N-摻雜石墨烯在正摩擦材料界面時(shí)TENG性能的改善。
相關(guān)研究成果由意大利微電子和微系統(tǒng)研究所-國家研究委員會(huì)Giuseppina Pace等人于2021年發(fā)表在Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106173)上。原文：Nitrogen-doped graphene based triboelectric nanogenerators。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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