摩擦伏特納米發(fā)電機(TVNG)具有高直流電密度、低阻抗和連續(xù)輸出等性能，為小型電子設備的供能問題提供了新的解決思路。然而，摩擦界面磨損會導致摩擦伏特納米發(fā)電機的電流密度快速衰減，如何實現(xiàn)高電流密度輸出并提高其使用壽命是摩擦伏特納米發(fā)電機實際應用所面臨的重大挑戰(zhàn)。
圖1 不同類型摩擦伏特納米發(fā)電機的結構和輸出性能及其對比
近期，中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王杰研究員團隊基于摩擦伏特效應為原理的直流摩擦伏特納米發(fā)電機，提出了一種以水性氧化石墨烯作為界面潤滑劑的策略，可以同時提高摩擦伏特納米發(fā)電機的直流電密度和壽命，有效的解決了摩擦伏特納米發(fā)電機磨損嚴重而不能保持電流密度穩(wěn)定的問題。水性氧化石墨烯具有良好的電學性能，可以增加金屬滑塊與硅片接觸界面的載流子數(shù)量；另外，水性氧化石墨烯具有潤滑特性，可以減小金屬滑塊與硅片接觸界面的磨損。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，速度、壓力、位移以及水性石墨烯添加量都會影響水性氧化石墨烯界面潤滑的摩擦伏特納米發(fā)電機(GWS-TVNG)的輸出性能，其中，GWS-TVNG在速度0.1 m s-1，位移20 mm，壓力10 N，水性石墨烯添加量為30 μL的實驗條件下，能產(chǎn)生約775 mA m-2的峰值電流密度輸出，同時具有31 mC m-2的超高轉(zhuǎn)移電荷密度。傳統(tǒng)的TVNG在相同的實驗條件下可以產(chǎn)生峰值電流密度輸出為25.5 mA m-2。因此，與不加潤滑劑的常規(guī)TVNG相比，GWS-TVNG的電流密度提高了30倍。另外，對于沒有潤滑劑的常規(guī)TVNG，在運行3,400次后，它只能保持約21%的電力輸出。通過界面潤滑的GWS-TVNG在運行30,000次后仍能保持92%~95%的電力輸出。該研究進一步加速了TVNG在物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠以及傳感器中的實際應用。該工作以“Simultaneously Enhancing Direct-Current Density and Lifetime of Tribovoltaic Nanogenerator via Interface Lubrication”為題發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上， DOI: 10.1002/adfm.202208544。文章第一作者是中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所碩士喬文艷。該研究得到科技部、國家自然科學基金委和博士后基金委等的經(jīng)費支持。
圖2 水性氧化石墨烯界面潤滑的摩擦伏特納米發(fā)電機(GWS-TVNG)(P-type Si)的工作原理和輸出性能。銅基單層石墨烯薄膜在P-type Si上移動，界面上加入一層水性氧化石墨烯溶液。
原文網(wǎng)址：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adfm.202208544
