最近的實驗表明,在聚合物支撐的石墨烯上移動水滴可以在石墨烯中產生電壓。為了揭示基底、石墨烯和離子水在發電中的作用,我們對水/石墨烯/基底界面進行了多尺度的分析和模擬,發現被基底上表面偶極吸引到石墨烯表面的離子會驅動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）結構。利用朗繆爾（Langmuir）吸附理論結合第一性原理計算，確定了ETL中的離子濃度，并且估計了每個被吸附的離子可在石墨烯中拖動的電荷量。由此,得到了產生的電流與離子濃度、水滴移動速率、石墨烯厚度和基底上的偶極密度、偶極矩之間的關系式,且與實驗測量結果吻合。該研究結果表明,控制基底上的表面偶極(密度和大小)可優化水伏發電器件的性能并促進其實際應用。
圖1. 繪圖電位的示意圖模型。(a)當水滴在PET-支撐的石墨烯上向前移動時，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基團中的負O原子吸引;在液滴前端附近，隨著液滴運動，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。
圖2. 用傳統吸附理論計算的結果。(a)計算石墨烯上吸附離子的密度σ(線)，與Yang等人的實驗結果(紫色正方形)進行了比較。(b)吸附離子，在石墨烯上的相對表面覆蓋率隨時間的變化。系統大約需要0.4 ns才能達到平衡紫色交叉。
圖3. 吸附Na
+誘導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)。電子從藍色區域轉移到粉色區域。圓柱體表示我們確定的Na
+吸附時電子轉移的空間。(b)石墨烯中電子轉移的示意圖。(c) 圖(a)中確定的電子轉移到圓柱體中的模型。這里，從各個方向進入石墨烯平面下方和上方的圓柱體截面的轉移電子分別總結為Δq
1和 Δq
2。兩點p
1和p
2是我們計算外場的位置。(d)單層石墨烯在R和L的參數空間中，模型確定的Δq與DFT的差值分布(定義見圖(c))。Q在文中有定義。對于R= 5.0 Å，L= 1.0 Å，Q= 0.021 e。
圖4. 計算結果。(a)計算了石墨烯層數N
g與電流
I和電壓
V的關系。(b)計算電流
I在表面偶極子密度σ
d和偶極子矩p參數空間中的等值線圖。
相關研究成果由南京航空航天大學機械結構力學與控制國家重點實驗室張宏波等人于2021年發表在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。
轉自《石墨烯研究》公眾號
.jpg)
