一種新型石墨烯基發(fā)電機(jī),為可擴(kuò)展的發(fā)電提供了有吸引力的新方案

石墨烯-電解質(zhì)界面已被證明可以應(yīng)用在一系列的能源設(shè)備的平臺(tái)中，例如太陽能電池、超級(jí)電容器、和鋰離子電池等。值得注意的是，近期報(bào)道了一種新型石墨烯基發(fā)電機(jī)，其使用石墨烯-液體界面將移動(dòng)的離子液滴的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，為可擴(kuò)展的發(fā)電提供了有吸引力的新方案。

圖1.聚合物支撐的單層石墨烯器件中的電壓產(chǎn)生。 （a）在由SiO2板上的石墨烯/聚合物膜組成的器件上進(jìn)行發(fā)電和SFVS測(cè)量的實(shí)驗(yàn)裝置。 （b）通過在石墨烯/聚合物上滾動(dòng)的下落水滴測(cè)量電壓產(chǎn)生的示意圖。 （c）示波器軌跡分別顯示由石墨烯/ PET（紅色）和石墨烯/ PMMA（藍(lán)色）產(chǎn)生的電壓尖峰

在這樣的裝置中，離子液體液滴移動(dòng)在基板支撐的石墨烯表面的流動(dòng)會(huì)在流動(dòng)相反的方向產(chǎn)生電流，而這種效應(yīng)在聚合物涂覆的絕緣體與水的界面處也能觀測(cè)到這種效應(yīng)。宏觀上，這種發(fā)電現(xiàn)象的機(jī)制可以通過繪制電位模型來解釋：溶質(zhì)的選擇性離子可以吸附在固體/溶液界面并與固體形成贗電容。當(dāng)離子液滴沿著石墨烯表面移動(dòng)時(shí)，傾向于吸附在界面上的離子被吸引向前進(jìn)（贗電容器的充電）或從后退邊緣排斥（贗電容器的放電）。

同時(shí)，石墨烯中帶相反電荷的載流子被吸引到前進(jìn)和后退邊緣，導(dǎo)致電流在石墨烯層中流動(dòng)。因此，離子如何有效地吸引到界面處確定了其發(fā)電效率。然而，在微觀尺度上，關(guān)于將離子吸引到溶液/石墨烯界面的潛在機(jī)制仍存在爭(zhēng)議。目前缺乏微觀理解阻礙了實(shí)驗(yàn)中優(yōu)化和控制離子的能力和能量傳感器的性能。此外，液體/石墨烯界面處的離子吸附的微觀起源對(duì)于石墨烯電化學(xué)裝置是非常重要的。

圖2.水/石墨烯/PET界面處離子吸附的原因。（a）和頻振動(dòng)光譜，分別顯示在石墨烯/PMMA和石墨烯/PET界面處的C=O拉伸模式，表示后一界面上的強(qiáng)C=O極性排序。（b）由C=O偶極子的正方形陣列產(chǎn)生的x-y平面中的方位角各向同性電位的計(jì)算。（c）單層和3-5層石墨烯/PET器件的和頻強(qiáng)度相對(duì)于NaCl濃度的相對(duì)增加。（d）使用Gouy-Chapman模型從光譜推導(dǎo)出的表面Na +密度與體積NaCl濃度的關(guān)系。（e）離子液滴中溶液中的離子和石墨烯中的電子向液滴前緣的運(yùn)動(dòng)的示意圖。

因此，在最新的一份發(fā)表在JACS上的工作中，報(bào)告了一項(xiàng)關(guān)于聚合物支持的石墨烯發(fā)電設(shè)備的和頻共振光譜（SFVS）研究。根據(jù)聚合物表面，溶液/聚合物界面和溶液/石墨烯/聚合物界面的和頻振動(dòng)光譜，研究最終得出以下結(jié)論：溶液中的離子不被石墨烯吸引，也不被預(yù)充電表面吸引;通過聚合物具有大偶極矩的極性有序表面基團(tuán)，它們被石墨烯/聚合物或沒有石墨烯的聚合物所吸引;單層石墨烯表現(xiàn)為偶極子場(chǎng)的弱屏蔽層，并作為產(chǎn)生電流的無源導(dǎo)電路徑;離子與表面偶極子層之間的相互作用是短程的。另外研究還對(duì)可能提高器件效率的參數(shù)進(jìn)行了一般性討論。其結(jié)果提供了電解解決方案/石墨烯/聚合物設(shè)備更全面的發(fā)電情況，這將有助于未來設(shè)計(jì)此類設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)更高的效率和可切換的操作。