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一滴水能发电,奥秘在这里

发布时间:2017-02-28来源:浙大新闻办作者:周炜浏览次数:1108

当一滴水在石墨烯表面滚动,石墨烯敏锐地“觉察”到了细微的运动,并产生持续的电流。这奇妙的一幕发生在浙江大学信息电子工程学院的实验室,林时胜老师课题组近日发文阐述这一现象的的奥秘, 明确指出衬底在石墨烯水流感应电压产生过程中扮演着关键角色。这一研究将为开发新型纳米发电机或石墨烯功能器件提供理论指导。

石墨烯是世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚(0.3纳米,是A4纸张的十万分之一,头发丝的五十万分之一)。同时,它又能导电,电子在石墨烯中的运动速度达1000千米/秒,是光速的三百分之一。这些特性赋予了人们很多想象的空间,2011年,科学家就提出了石墨烯水滴发电的理论设想,但它的科学机理一直存在不同见解。在各自独立实验中,报导的电压结果具有十分显著的差异。近年来,虽说石墨烯的研究热潮一直持续,但应用器件开发仍然进展缓慢。

“由于石墨烯很薄,我们必须靠支撑材料来构建石墨烯器件。但在水滴与石墨烯相互作用机制方面,很少有人关注支撑材料也就是衬底对石墨烯与水相互作用的影响。”林时胜介绍,基于对衬底的关注,课题组构建了一种石墨烯-压电薄膜异质器件,以此来探究衬底在石墨烯水流感应电压产生过程的具体作用。在这一器件中,石墨烯是靠PVDF或LiNbO3等压电薄膜支撑的。

一系列实验及计算表明:水滴的重力会让衬底表面产生压电电荷,进而在石墨烯的上表面诱导出一层定向排列的水分子或者离子,它们与石墨烯层一起屏蔽了衬底产生的压电电荷。石墨烯中的电子可以以光速的1/300快速移动,当水滴在石墨烯表面移动时,由于水滴中的离子或水分子的运动速度比石墨烯的电子慢几个数量级,所以水滴对衬底压电电荷的屏蔽效应和石墨烯相比会表现的相对迟缓一些,从而能够引起石墨烯中的一个持续的载流子移动,实现电流和电压输出。

“石墨烯可以对单个电子进行感应,带电粒子在石墨烯表面的移动可以引起石墨烯内电子的快速移动,实现传感和发电过程。”林时胜说,石墨烯的这一特性在能源与电子传感方面可以有很多应用,比如在雨天可以用涂有石墨烯的雨伞来进行发电,或者可以做成灵敏的传感器件等。“这一研究提示我们,可以通过设计衬底来实现石墨烯传感器和石墨烯能源器件。比如,我们已与韩国成均馆大学SangWoo Kim教授在ACS Nano上合作通讯发表一篇文章,报导了输出高达1.1V的石墨烯水滴发电器件。”

这一研究2017年2月3日在线发表在Advanced Functional Materials(先进功能材料)(Adv. Funct. Mater., 27, 1604226 (2017))上,第一作者为浙江大学信电学院博士生钟汇凯,信电学院林时胜老师为通讯作者,中国科技大学吴恒安教授课题组提供了本文的理论模拟。这一研究第一次提出了石墨烯和衬底整个系统之间的动态电荷相互作用,拓宽了人们对纳米材料中水流感应电压的见解,提供了一种新思路来从水的流动中获取电能,将推动石墨烯传感器和能源发电的有关实际应用。

(周炜)