本研究調查了一種石墨烯增強水泥基摩擦納米發電機 (TENG)，旨在收集基礎設施中的機械能，例如行人、車輛、人為振動以及風和地震等自然刺激。水泥基 TENG 的摩擦電層由完全固化的石墨烯改性水泥基板和聚四氟乙烯 (PTFE) 薄膜組成，并在接觸-分離模式下進行測試。微觀結構分析表明，石墨烯在水泥基體中分散良好，石墨烯-水泥復合材料的抗壓強度和抗彎強度分別達到 53.0 和 3.5 MPa。石墨烯-水泥復合材料的電特性，特別是它們的電阻率和阻抗，表明它們沒有達到滲透閾值，使其成為理想的介電材料，介電常數在 1 kHz 時為 100。水泥基摩擦納米發電機 (TENG) 的性能取決于接觸-分離循環的幅度和頻率。在 10 Hz 頻率和 100 N 力的作用下，短路電流和開路電壓分別達到 3.62 µA 和 279.4 V 的峰值，使用 100 M© 電阻可實現 95 mW/m2 的最大功率密度。在實際應用中，該 TENG 在一分鐘內將 10 ¼F 電容器充電至 3.1 V，在一小時內充電至 57.2 V。此外，手動操作 TENG 可在一分鐘內用手壓點亮 29 個 LED。通過利用摩擦電效應，該結果為未來智能城市自供電混凝土結構和路面提供了可行性。
圖 1. 制備程序和實驗裝置：（a）石墨烯-水泥復合材料的生產；（b）水泥基TENG的成分、實驗配置和最終產品。
圖 2. 石墨烯-水泥復合材料的物理和機械性能：（a）吸水率；（b）一次和二次吸附率；（c）抗壓強度和抗彎強度。
圖3. 宏觀和微觀形貌和階段：（a）石墨烯的微觀結構；（b）石墨烯懸浮液；（c）石墨烯懸浮液的吸光度；（d）水泥基TENG的表面形貌；（e）和（f）石墨烯-水泥復合材料在碳元素上的微觀結構和EDX結果；（g）研磨的石墨烯-水泥粉末的XRD結果。
圖 4. 石墨烯-水泥復合材料的電學和介電性能：（a）直流固化過程中的電阻率發展；（b）水泥基板的阻抗；（c）水泥基板的電導率；（d）隨頻率變化的相對介電常數。
圖 5. 100 N 力作用下水泥基 TENG 的摩擦電性能：（a）頻率從 1 到 10 Hz 變化的短路電流；（b）使用 3 G© 電阻器時頻率變化的開路電壓；（c）電壓與頻率；（d）數千次循環后的穩定性；（e）和（f）不同負載電阻值下水泥基 TENG 輸出電壓、電流和功率密度。
圖 6. 力幅對開路電壓和短路電流輸出的影響：（a）2、5、10、50、100 和 200 N 下的電壓輸出；（b）200 N 下的短路電流；（c）電壓和電流輸出與壓力的關系。
圖7. 水泥基 TENG 的充電性能：(a) 電容器充電電路圖；(b) 整流短路電流；(c) 和 (d) 水泥基 TENG 充電的 10、20 和 50 ¼F 電容器的電壓和能量曲線。
圖 8. 用于能量收集和多功能應用的水泥基 TENG：（a）摩擦電機制；（b）基礎設施中存在的機械能；（c）在各種基礎設施中的潛在應用。
圖 9. 實驗室設計的水泥基 TENG：(a) 手動水泥基 TENG 裝置；(b) 手動水泥基 TENG 充電的電容器；(c) 手動水泥基 TENG 在低頻和高頻下的輸出電流和整流電流；(d) 充電 10 ¼F 電容器的電壓增加；(e) 由水泥基 TENG 點亮的 29 個 LED 顯示字母 CEMT 的照片。
圖 10. 為土木工程應用而設計的水泥基 TENG：案例 1（用于風能收集的橋梁應用）和案例 2（用于行人和車輛誘導的機械能收集的路面應用）的原理圖、實驗裝置和輸出電流和功率。
相關科研成果由新南威爾士大學Wengui Li, Shuhua Peng等人于2024年發表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380）上。原文：Graphene reinforced cement-based triboelectric nanogenerator for efficient energy harvesting in civil infrastructure
原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380
轉自《石墨烯研究》公眾號
