最近的實(shí)驗(yàn)表明,在聚合物支撐的石墨烯上移動(dòng)水滴可以在石墨烯中產(chǎn)生電壓。為了揭示基底、石墨烯和離子水在發(fā)電中的作用,我們對(duì)水/石墨烯/基底界面進(jìn)行了多尺度的分析和模擬,發(fā)現(xiàn)被基底上表面偶極吸引到石墨烯表面的離子會(huì)驅(qū)動(dòng)石墨烯中的電荷重新分布,從而在水/石墨烯/基底界面處形成由石墨烯中的鏡像電荷、吸附在石墨烯表面的離子以及溶液中的反離子組成的三電層（ETL）結(jié)構(gòu)。利用朗繆爾（Langmuir）吸附理論結(jié)合第一性原理計(jì)算，確定了ETL中的離子濃度，并且估計(jì)了每個(gè)被吸附的離子可在石墨烯中拖動(dòng)的電荷量。由此,得到了產(chǎn)生的電流與離子濃度、水滴移動(dòng)速率、石墨烯厚度和基底上的偶極密度、偶極矩之間的關(guān)系式,且與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合。該研究結(jié)果表明,控制基底上的表面偶極(密度和大小)可優(yōu)化水伏發(fā)電器件的性能并促進(jìn)其實(shí)際應(yīng)用。
圖1. 繪圖電位的示意圖模型。(a)當(dāng)水滴在PET-支撐的石墨烯上向前移動(dòng)時(shí)，離子被吸附在石墨烯上，在石墨烯和水之間形成ETL。(b)正離子被PET基底上C=O基團(tuán)中的負(fù)O原子吸引;在液滴前端附近，隨著液滴運(yùn)動(dòng)，新的ETL不斷形成，將附近石墨烯(像電荷層)中的電子拖回流動(dòng)。
圖2. 用傳統(tǒng)吸附理論計(jì)算的結(jié)果。(a)計(jì)算石墨烯上吸附離子的密度σ(線)，與Yang等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(紫色正方形)進(jìn)行了比較。(b)吸附離子，在石墨烯上的相對(duì)表面覆蓋率隨時(shí)間的變化。系統(tǒng)大約需要0.4 ns才能達(dá)到平衡紫色交叉。
圖3. 吸附Na
+誘導(dǎo)石墨烯中電子的再分布。(a)電荷密度差等面圖(0.001,0.005 e/Å
3)。電子從藍(lán)色區(qū)域轉(zhuǎn)移到粉色區(qū)域。圓柱體表示我們確定的Na
+吸附時(shí)電子轉(zhuǎn)移的空間。(b)石墨烯中電子轉(zhuǎn)移的示意圖。(c) 圖(a)中確定的電子轉(zhuǎn)移到圓柱體中的模型。這里，從各個(gè)方向進(jìn)入石墨烯平面下方和上方的圓柱體截面的轉(zhuǎn)移電子分別總結(jié)為Δq
1和 Δq
2。兩點(diǎn)p
1和p
2是我們計(jì)算外場(chǎng)的位置。(d)單層石墨烯在R和L的參數(shù)空間中，模型確定的Δq與DFT的差值分布(定義見(jiàn)圖(c))。Q在文中有定義。對(duì)于R= 5.0 Å，L= 1.0 Å，Q= 0.021 e。
圖4. 計(jì)算結(jié)果。(a)計(jì)算了石墨烯層數(shù)N
g與電流
I和電壓
V的關(guān)系。(b)計(jì)算電流
I在表面偶極子密度σ
d和偶極子矩p參數(shù)空間中的等值線圖。
相關(guān)研究成果由南京航空航天大學(xué)機(jī)械結(jié)構(gòu)力學(xué)與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室張宏波等人于2021年發(fā)表在SCIENCE CHINA Materials (https://doi.org/10.1007/s40843-020-1615-x)上，原文：Mechanistic insight into electricity generation from moving ionic droplets on graphene。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
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