收集所有可獲得的清潔能源是一項重要戰略，有助于消除目前對不可再生能源的依賴。近年來，摩擦電納米發電機作為一種新型的機械能收集器受到人們的關注，它是電池的有效替代品，尤其適用于便攜式設備。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、摻雜濃度以及N-吡啶和N-石墨位的相對含量對TENGs性能的影響。這些位點具有不同的電子親和力，并協同作用于N-石墨烯的電容性和電阻性的變化，從而影響TENG性能。結果表明，當N-石墨烯（一個N-半導體）與正摩擦電材料和電極界面接觸時，TENG的功率增強，而當它與負摩擦電材料界面接觸時，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電極化學勢的依賴來解釋，其通過在摩擦生電時在兩個電極上產生的相反極化而移動。
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。每個樣品至少獲得和分析了100個光譜。a) D、G峰區的N2單譜擬合顯示存在D、D
*、G、D?峰; b) 2D區域的N2單譜擬合顯示存在2D、D+D?和2D?峰; c) 2D峰位與對應G峰位的分布情況; d) G峰FWHM值(FWHM G)隨對應G峰位置的分布。
圖3. a)觸點間隔工作模式下使用的TENG結構示意圖。b)和c)顯示了嵌入PVDF膜的摩擦電極的SEM橫截面圖像。
圖4. 兩種設備配置的TENGs瞬時輸出功率測量: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)在與負摩擦材料(PVDF) (FLG/nylon // PVDF/PU_X/ FLG)的界面處引入夾層。c)和d)達到V
OC飽和條件,連續循環200秒后測量的開路電壓(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)。插圖顯示了高頻區域的阻抗譜。b)瞬時峰值功率與N
pyr/(N
graph +N
pyr)比的關系。c)瞬時峰值功率與電容電阻比(C/R)的關系。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同作用的方案。
圖6. a)N-摻雜石墨烯在負摩擦材料界面時的感應電位(V
oc)損失的機理基礎示意圖，b) N-摻雜石墨烯在正摩擦材料界面時TENG性能的改善。
相關研究成果由意大利微電子和微系統研究所-國家研究委員會Giuseppina Pace等人于2021年發表在Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106173)上。原文：Nitrogen-doped graphene based triboelectric nanogenerators。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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