本研究調查了一種石墨烯增強水泥基摩擦納米發電機 (TENG),旨在收集基礎設施中的機械能,例如行人、車輛、人為振動以及風和地震等自然刺激。水泥基 TENG 的摩擦電層由完全固化的石墨烯改性水泥基板和聚四氟乙烯 (PTFE) 薄膜組成,并在接觸-分離模式下進行測試。微觀結構分析表明,石墨烯在水泥基體中分散良好,石墨烯-水泥復合材料的抗壓強度和抗彎強度分別達到 53.0 和 3.5 MPa。石墨烯-水泥復合材料的電特性,特別是它們的電阻率和阻抗,表明它們沒有達到滲透閾值,使其成為理想的介電材料,介電常數在 1 kHz 時為 100。水泥基摩擦納米發電機 (TENG) 的性能取決于接觸-分離循環的幅度和頻率。在 10 Hz 頻率和 100 N 力的作用下,短路電流和開路電壓分別達到 3.62 µA 和 279.4 V 的峰值,使用 100 M© 電阻可實現 95 mW/m2 的最大功率密度。在實際應用中,該 TENG 在一分鐘內將 10 ¼F 電容器充電至 3.1 V,在一小時內充電至 57.2 V。此外,手動操作 TENG 可在一分鐘內用手壓點亮 29 個 LED。通過利用摩擦電效應,該結果為未來智能城市自供電混凝土結構和路面提供了可行性。

圖 1. 制備程序和實驗裝置:(a)石墨烯-水泥復合材料的生產;(b)水泥基TENG的成分、實驗配置和最終產品。

圖 2. 石墨烯-水泥復合材料的物理和機械性能:(a)吸水率;(b)一次和二次吸附率;(c)抗壓強度和抗彎強度。

圖3. 宏觀和微觀形貌和階段:(a)石墨烯的微觀結構;(b)石墨烯懸浮液;(c)石墨烯懸浮液的吸光度;(d)水泥基TENG的表面形貌;(e)和(f)石墨烯-水泥復合材料在碳元素上的微觀結構和EDX結果;(g)研磨的石墨烯-水泥粉末的XRD結果。

圖 4. 石墨烯-水泥復合材料的電學和介電性能:(a)直流固化過程中的電阻率發展;(b)水泥基板的阻抗;(c)水泥基板的電導率;(d)隨頻率變化的相對介電常數。

圖 5. 100 N 力作用下水泥基 TENG 的摩擦電性能:(a)頻率從 1 到 10 Hz 變化的短路電流;(b)使用 3 G© 電阻器時頻率變化的開路電壓;(c)電壓與頻率;(d)數千次循環后的穩定性;(e)和(f)不同負載電阻值下水泥基 TENG 輸出電壓、電流和功率密度。

圖 6. 力幅對開路電壓和短路電流輸出的影響:(a)2、5、10、50、100 和 200 N 下的電壓輸出;(b)200 N 下的短路電流;(c)電壓和電流輸出與壓力的關系。

圖7. 水泥基 TENG 的充電性能:(a) 電容器充電電路圖;(b) 整流短路電流;(c) 和 (d) 水泥基 TENG 充電的 10、20 和 50 ¼F 電容器的電壓和能量曲線。

圖 8. 用于能量收集和多功能應用的水泥基 TENG:(a)摩擦電機制;(b)基礎設施中存在的機械能;(c)在各種基礎設施中的潛在應用。

圖 9. 實驗室設計的水泥基 TENG:(a) 手動水泥基 TENG 裝置;(b) 手動水泥基 TENG 充電的電容器;(c) 手動水泥基 TENG 在低頻和高頻下的輸出電流和整流電流;(d) 充電 10 ¼F 電容器的電壓增加;(e) 由水泥基 TENG 點亮的 29 個 LED 顯示字母 CEMT 的照片。

圖 10. 為土木工程應用而設計的水泥基 TENG:案例 1(用于風能收集的橋梁應用)和案例 2(用于行人和車輛誘導的機械能收集的路面應用)的原理圖、實驗裝置和輸出電流和功率。
相關科研成果由新南威爾士大學Wengui Li, Shuhua Peng等人于2024年發表在Nano Energy(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380)上。原文:Graphene reinforced cement-based triboelectric nanogenerator for efficient energy harvesting in civil infrastructure
原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380
轉自《石墨烯研究》公眾號