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新南威爾士大學Wengui Li, Shuhua Peng等--石墨烯增強水泥基摩擦納米發電機可用于民用基礎設施高效能量收集
        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
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