Wang 于 2012 年發明的摩擦納米發電機 (TENG) 激發了解決緊迫的全球能源危機和環境問題的激動人心的戰略。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備生產的，以實現高性能 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。基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 具有出色的長期穩定性和耐用性。特別是，基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的短路電流和開路電壓在 150,000 次攻絲循環后僅分別下降了 17.7% 和 16.6%。強烈認為，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和顯著的潤滑行為。基于 GN-PTFE 薄膜的 TENG 的應用表明，通過連續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域具有巨大潛力。
Figure1.使用微注射成型技術制備聚合物薄膜。 (a) 微注射成型機的工作原理圖。 (b) GN-PTFE 試樣的生產過程。 (c) 添加不同質量的石墨烯納米片 (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結構示意圖。 (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 的工作穩定性和可重復性測試經歷了 10,000 次手指敲擊循環。 (a,c) 連續工作 10,000 次循環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。 （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。 （e，f）在測試開始和結束時用 PTFE TENG 點亮的 LED 燈泡的照片。 (g,h) 在測試開始和結束時使用 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。 (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 光學圖像。 (g,h) 原始 GN-PTFE 薄膜和磨損的 GN-PTFE 薄膜的 3D 光學圖像。
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圖像。拉曼映射區域由黃色矩形表示（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 應用演示。 (a) 整流前后輸出開路電壓。插圖顯示了兩個周期內電壓的放大圖。 (b) 不同電容器在 30 秒內的充電曲線。 (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。
相關研究工作由深圳大學Pengfei Wang課題組于2022年在線發表于《ACS Appl. Electron. Mater.》期刊上，原文： Graphene Nanosheets Enhanced Triboelectric Output Performances of PTFE Films。
轉自《石墨烯研究》公眾號
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