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靠一滴纯净水的重力发电 石墨烯展现新功能

发布时间:2017-03-03来源:浙江新闻作者:曾福泉 周炜浏览次数:577

一滴水流过石墨烯表面,就产生了约1伏的电压,持续输出电流。记者日前在浙江大学信息电子工程学院林时胜副教授的实验室看到,神奇材料石墨烯又多了一项新功能——水流感应发电。

准确地说,“滴水发电”的奇观是由石墨烯及其支撑材料共同实现的。石墨烯是世界上最薄的材料,只有一个原子那么厚,大约是头发丝厚度的50万分之一,因此石墨烯器件总是由石墨烯和支撑材料共同构建。“过去,人们往往更多关注石墨烯本身,而忽略了支撑材料也能扮演重要角色。”林时胜曾经在英国曼彻斯特大学,与石墨烯发现者之一、诺贝尔奖得主安德烈·海姆一同工作过。自于2004年被发现以来,石墨烯一直吸引着人们的研究热情,但相关应用器件开发进展缓慢。实际上,石墨烯之所以被视为前景广阔的未来材料,原因之一就在于其强大的亲合力。用适当的方式,把石墨烯和其他特定的材料结合起来,就能发掘出蕴藏在这一层薄薄碳原子中的无限潜力。

  林时胜课题组成员正在做实验

林时胜团队采用压电薄膜作为石墨烯的支撑材料,实现了水滴发电。压电薄膜是压电材料的一种,有其特殊的性质:受到外力产生形变后,就能产生电荷。像打火机、话筒等随处可见的日常用品里,都有压电材料,把轻微的形变转变为电的活动。压电薄膜还存在于可穿戴设备里,在你运动时记录脉搏的跳动。

但光靠压电薄膜并不能发电,用其他材料——如金属——代替石墨烯,也不能和压电薄膜一起制成水流发电器件。林时胜说,石墨烯的两个重要特性在这里发挥了不可替代的关键作用:极薄、导电性良好。

当一滴水滴落,它的重力透过极薄的石墨烯,引起了压电薄膜的形变,产生了电荷,进而在石墨烯的表面诱导出一层水分子或离子。紧接着,水滴开始流动,石墨烯表面这些带电粒子随之移动,这又引起了石墨烯内电子的快速移动,就像电线里电子从一极飞快地流向另一极。石墨烯内电子的运动速度极快,达到每秒1000千米,约为光速的三百分之一,大大超过水滴流动的速度,从而实现了电流和电压的持续输出。

 石墨烯水流发电示意图

林时胜课题组和韩国成均馆大学金翔宇(SangWoo Kim)教授团队合作,已经制备出了输出达到1.1伏的石墨烯水滴发电器件。理论上,把这些发电器件一个个串联起来,就能当电池用。中国科技大学吴恒安教授课题组作为合作方,为石墨烯—压电薄膜水滴发电的原理提供了理论模拟,得到了漂亮的数学结果。这些研究已在《先进功能材料》等国际著名期刊发表。

人们在石墨烯发电这一课题上已取得不少进展。既有研究曾指出,盐水等溶液滴落到石墨烯上可以输出电流。林时胜说,这是溶液本身自带的钠离子、氯离子等在起作用。而利用纯水的重力,结合石墨烯、压电材料的特性发电,则是一个全新的发现,第一次提出了石墨烯和支撑材料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,为从水的流动中获取电能提供了一种新思路。这一新发现提示人们,石墨烯将来可以被制备成灵敏的生物传感器或能源器件。