Wang 于 2012 年發(fā)明的摩擦納米發(fā)電機(jī) (TENG) 激發(fā)了解決緊迫的全球能源危機(jī)和環(huán)境問題的激動人心的戰(zhàn)略。石墨烯納米片嵌入的聚四氟乙烯 (GN-PTFE) 薄膜是使用微注射成型設(shè)備生產(chǎn)的，以實現(xiàn)高性能 TENG。嵌入的石墨烯納米片顯著改善了基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的摩擦電性能?；?GN-PTFE 薄膜的 TENG 具有出色的長期穩(wěn)定性和耐用性。特別是，基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的短路電流和開路電壓在 150,000 次攻絲循環(huán)后僅分別下降了 17.7% 和 16.6%。強(qiáng)烈認(rèn)為，基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的非凡輸出摩擦電性能歸因于石墨烯納米片的高介電常數(shù)和顯著的潤滑行為?；?GN-PTFE 薄膜的 TENG 的應(yīng)用表明，通過連續(xù)的手指敲擊過程可以同時點亮 100 個 LED，這表明在要求苛刻的微納能源領(lǐng)域具有巨大潛力。
Figure1.使用微注射成型技術(shù)制備聚合物薄膜。 (a) 微注射成型機(jī)的工作原理圖。 (b) GN-PTFE 試樣的生產(chǎn)過程。 (c) 添加不同質(zhì)量的石墨烯納米片 (0-64 mg) 制成的 GN-PTFE 樣品的照片。
Figure 2. PTFE 薄膜基 TENG 的制備及摩擦起電性能評價。 (a) TENGs的制備過程。 (b) TENGs結(jié)構(gòu)示意圖。 (c) 基于 PTFE 薄膜和鋁箔制造的 TENG 的照片。 (d) 工作頻率為 2 Hz、間距為 4 mm 的 TENG 手指敲擊測試。 (e) TENGs 在一個攻絲循環(huán)中的短路電流。
Figure 3. 所制備的 PTFE 和 GN-PTFE 薄膜的表征。 (a) 原始 PTFE 薄膜的 SEM 圖像。 (b) GNPTFE 薄膜 (32 mg) 的 SEM 圖像。 (c) PTFE、GN-PTFE 和磨損的 GN-PTFE 薄膜的 EDS 光譜。 (d) PTFE 和 GN-PTFE 薄膜的拉曼光譜。
Figure 4. 基于不同摩擦對材料制造的 TENG 的輸出摩擦電性能。較低的摩擦對是 PMMA、PP 和 PTFE。上部摩擦對是不銹鋼、銅箔和鋁箔。 (a) 輸出短路電流。 (b) 輸出開路電壓。
Figure 5. 基于鋁箔和 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的輸出摩擦電性能，石墨烯納米片的質(zhì)量變化范圍為 0 至 64 mg。 (a) 輸出短路電流。 (b) 輸出開路電壓。 (c) 最大短路電流、開路電壓和功率密度。
Figure 6. 基于原始 PTFE 薄膜的 TENG 的工作穩(wěn)定性和可重復(fù)性測試經(jīng)歷了 10,000 次手指敲擊循環(huán)。 (a,c) 連續(xù)工作 10,000 次循環(huán)下的輸出短路電流和開路電壓。 （b，d）第一個和最后三個手指敲擊周期的輸出短路電流和開路電壓。
Figure 7. 基于原始 PTFE 和 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的長期工作穩(wěn)定性和耐久性測試。 （a，b）基于原始 PTFE 薄膜的 TENG 的短路電流和開路電壓，用于 100,000 次手指敲擊循環(huán)。 （c，d）基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的短路電流和開路電壓，用于 150,000 次手指敲擊循環(huán)。 （e，f）在測試開始和結(jié)束時用 PTFE TENG 點亮的 LED 燈泡的照片。 (g,h) 在測試開始和結(jié)束時使用 GN-PTFE TENG 點亮 LEDS 燈泡的照片。
Figure 8. 長期耐久性測試前后 PTFE 和 GN-PTFE（32 mg 石墨烯納米片）薄膜的表面形態(tài)。 (a,b) 原始 PTFE 薄膜和磨損的 PTFE 薄膜的 SEM 圖像。 （c，d）原始 GN-PTFE 薄膜和磨損的 GN-PTFE 薄膜的 SEM 圖像。 （e，f）原始 PTFE 薄膜和磨損的 PTFE 薄膜的 3D 光學(xué)圖像。 (g,h) 原始 GN-PTFE 薄膜和磨損的 GN-PTFE 薄膜的 3D 光學(xué)圖像。
Figure 9. 長期耐久試驗后 GN-PTFE 薄膜磨損表面的拉曼圖分析。 (a) GN-PTFE 薄膜磨損表面的拉曼光譜。 (b) GN-PTFE 薄膜上磨損表面的光學(xué)圖像。拉曼映射區(qū)域由黃色矩形表示（未按比例）。 (c) 用于比較 PTFE 峰和石墨烯峰的拉曼光譜。 (d) PTFE 峰的拉曼映射圖像（紅色）。 (e) 石墨烯峰的拉曼映射圖像（綠色）。
Figure 10. 基于原始 PTFE 和 GN-PTFE 薄膜的垂直接觸分離操作模式 TENG 的磨損機(jī)制。 （a，b）基于原始 PTFE 薄膜和鋁箔的 TENG 接觸模型。 （c，d）基于 GN-PTFE 薄膜和鋁箔的 TENG 接觸模型。
Figure 11. 基于 GN-PTFE 薄膜和鋁箔的 TENG 應(yīng)用演示。 (a) 整流前后輸出開路電壓。插圖顯示了兩個周期內(nèi)電壓的放大圖。 (b) 不同電容器在 30 秒內(nèi)的充電曲線。 (c) 用于為 LED 供電的 TENG 電路圖。 (d) 將 100 個 LED 插入面包板的電路照片。 (e) 點亮的 100 個 LED。
相關(guān)研究工作由深圳大學(xué)Pengfei Wang課題組于2022年在線發(fā)表于《ACS Appl. Electron. Mater.》期刊上，原文： Graphene Nanosheets Enhanced Triboelectric Output Performances of PTFE Films。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
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