氧化石墨烯基柔性发电机的构筑及其水蒸发发电性能
发布时间：2021-10-08 14:18
如何利用自然界广泛存在的水蒸发能是一个具有挑战性的课题。以表面具有丰富官能团和优异亲水性的氧化石墨烯（GO）做发电材料,以肼还原制备的还原氧化石墨烯（RGO）作电极材料,通过简单滴注法在聚对苯二甲酸乙二酯（PET）衬底上构筑GO/RGO的柔性发电机,并研究其水蒸发诱导的发电性能。结果表明,固定GO薄膜发电机的工作面积为4.5 cm×1.5 cm,以室温自然水蒸发为驱动力,可以输出90 mV的开路电势(Voc)以及0.6μA的短路电流(Isc),最大功率密度可达1.25μW/cm3。该驱动器同时展示出优异的柔性和较高的稳定性。通过控制体系的水蒸发发生与否,并基于经典流动电势理论,提出了水蒸发诱导的GO/RGO柔性发电机的发电机制。提出了步骤简易、成本低廉、性能稳定的水蒸发驱动的发电机制备新思路,为新型水蒸发能的利用提供了新途径。
【文章来源】：应用化学. 2020,37(10)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
基于GO/RGO的柔性发电机的制作和测试示意图
图2A为柔性纳米发电机器件的照片。 GO薄膜光滑均匀地结合在两个L型RGO电极之间的柔性PET基底表面,工作面积为4.5 cm×1.5 cm。 GO/RGO发电机的SEM测试如图2B所示。 从图2中可以观察到,GO薄膜表面呈现致密的光滑状态,与文献[20-22]报道结果相似。 肼还原制备的RGO薄膜表面呈现褶皱,说明其无序度增加,与Raman光谱分析一致[23]。 此外,GO与RGO薄膜结合紧密,二者之间展现出较强的相互作用,这将有助于提高发电机的稳定性,同时有利于电子在GO和RGO之间传递以提高发电机的电能输出。2.3 GO/RGO柔性纳米发电机的电学性能
GO/RGO柔性发电机密封在装有去离子水的测试容器中,容器外的环境温度约为25 ℃,相对湿度约为50%,当容器内的湿度接近饱和湿度时,开始进行电学性能测试。 图3A和3B给出了容器打开前后发电机的开路电势-时间(Voc-t)和短路电流-时间(Isc-t)曲线。 从图3A 和3B中可以看到,当容器密闭时,发电机输出的电势和电流几乎为零。 而当打开密闭容器后,GO/RGO发电机薄膜表面虹吸的水开始产生净蒸发并伴有电势和电流输出[24]。 随着时间的延长,发电机的Voc和Isc逐渐增加,当二者分别达到90 mV和0.6 μA时趋于稳定。 上述现象说明发电机表面的水蒸发可诱导产生电势和电流。 我们对发电机的输出性能进行了系统研究。 在不连接任何外部负载电阻(RL)的情况下,发电机的电流-电势(I-V)曲线表现为欧姆特性函数,结果如图3C所示。 当蒸发达到稳定后,发电机的Voc和Isc分别稳定在90 mV和0.6 μA左右,这与(V-t)以及(I-t)曲线测试结果一致,通过计算曲线斜率可知发电机的内部电阻约为0.15 MΩ。 我们将1 Ω到100 MΩ的电阻与发电机进行串联,得到发电机输出性能随外部RL的变化曲线。 如图3D和3E所示,从图3D和3E中可以观察到,随着串联电阻的升高,路端电阻上的电势从0 V升高到90 mV,路端电流从0.6 μA降低到0 A。 通过计算,当路端电阻为0.15 MΩ时,发电机达到了13.5 nW的最大输出功率,其最大功率密度为1.25 μW/cm3。图4 容器开启和关闭时,基于GO/RGO柔性发电机的Voc和容器内部温湿度之间的关系图
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯迷你马达的自组装制备及其乙醇驱动运动和油品吸附性能[J]. 赵佳欣,谢亚桥,李杰兰,徐子迪,高峰,曲江英. 应用化学. 2019(10)
[2]石墨烯基微电极的制备及其在电化学传感中的应用[J]. 陈立伟,韩庆,张慧敏,曲良体. 应用化学. 2018(03)
本文编号：3424331
【文章来源】：应用化学. 2020,37(10)北大核心CSCD
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
基于GO/RGO的柔性发电机的制作和测试示意图
图2A为柔性纳米发电机器件的照片。 GO薄膜光滑均匀地结合在两个L型RGO电极之间的柔性PET基底表面,工作面积为4.5 cm×1.5 cm。 GO/RGO发电机的SEM测试如图2B所示。 从图2中可以观察到,GO薄膜表面呈现致密的光滑状态,与文献[20-22]报道结果相似。 肼还原制备的RGO薄膜表面呈现褶皱,说明其无序度增加,与Raman光谱分析一致[23]。 此外,GO与RGO薄膜结合紧密,二者之间展现出较强的相互作用,这将有助于提高发电机的稳定性,同时有利于电子在GO和RGO之间传递以提高发电机的电能输出。2.3 GO/RGO柔性纳米发电机的电学性能
GO/RGO柔性发电机密封在装有去离子水的测试容器中,容器外的环境温度约为25 ℃,相对湿度约为50%,当容器内的湿度接近饱和湿度时,开始进行电学性能测试。 图3A和3B给出了容器打开前后发电机的开路电势-时间(Voc-t)和短路电流-时间(Isc-t)曲线。 从图3A 和3B中可以看到,当容器密闭时,发电机输出的电势和电流几乎为零。 而当打开密闭容器后,GO/RGO发电机薄膜表面虹吸的水开始产生净蒸发并伴有电势和电流输出[24]。 随着时间的延长,发电机的Voc和Isc逐渐增加,当二者分别达到90 mV和0.6 μA时趋于稳定。 上述现象说明发电机表面的水蒸发可诱导产生电势和电流。 我们对发电机的输出性能进行了系统研究。 在不连接任何外部负载电阻(RL)的情况下,发电机的电流-电势(I-V)曲线表现为欧姆特性函数,结果如图3C所示。 当蒸发达到稳定后,发电机的Voc和Isc分别稳定在90 mV和0.6 μA左右,这与(V-t)以及(I-t)曲线测试结果一致,通过计算曲线斜率可知发电机的内部电阻约为0.15 MΩ。 我们将1 Ω到100 MΩ的电阻与发电机进行串联,得到发电机输出性能随外部RL的变化曲线。 如图3D和3E所示,从图3D和3E中可以观察到,随着串联电阻的升高,路端电阻上的电势从0 V升高到90 mV,路端电流从0.6 μA降低到0 A。 通过计算,当路端电阻为0.15 MΩ时,发电机达到了13.5 nW的最大输出功率,其最大功率密度为1.25 μW/cm3。图4 容器开启和关闭时,基于GO/RGO柔性发电机的Voc和容器内部温湿度之间的关系图
【参考文献】：
期刊论文
[1]石墨烯迷你马达的自组装制备及其乙醇驱动运动和油品吸附性能[J]. 赵佳欣,谢亚桥,李杰兰,徐子迪,高峰,曲江英. 应用化学. 2019(10)
[2]石墨烯基微电极的制备及其在电化学传感中的应用[J]. 陈立伟,韩庆,张慧敏,曲良体. 应用化学. 2018(03)
本文编号：3424331
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