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美國萊斯大學開發出雷射誘導石墨烯納米發電機!

6月
01
2019

2019年6月01日22時 智物創新

智物創新

導讀

據美國萊斯大學官網近日報導,該校研究人員採用雷射誘導石墨烯製造出摩擦納米發電機。該柔性裝置能將運動的能量轉化為電能,從而使得自供電的可穿戴傳感器與設備成為可能。

背景

如今,各種可穿戴設備的運行都離不開電能的持續穩定供應。以電池為基礎的傳統供電方式,需要頻繁充電且續航能力有限,這也成為了影響可穿戴設備性能與用戶體驗的關鍵瓶頸之一。

擺脫電池,讓可穿戴設備從運動中採集能量,已不再是新創意了。例如,筆者曾介紹過摩擦起電裝置和壓電裝置,它們都可以將人體運動產生的能量轉化為電能。

摩擦起電裝置(圖片來源:美國化學會)

壓電裝置(圖片來源:Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學)

創新

近日,美國萊斯大學創造出的一種材料,使得可穿戴設備的自供電變得更加切實可行。科學家們在美國化學學會期刊《ACS Nano》上詳細描述了這個項目。

萊斯大學實驗室的化學家詹姆斯·圖爾(James Tour)將雷射誘導的石墨烯(LIG)應用到不含金屬的小型設備中,這些設備可以發電。就像在頭髮上擦氣球一樣,LIG複合材料與其他表面相互接觸也會產生靜電,這些靜電可用於驅動設備。

技術

通過摩擦起電效應,材料可以通過相互接觸而獲得電荷。當它們被放到一起然後再分開時,表面電荷不斷累積,而這些電荷會被輸送去發電。

實驗中,研究人員們將LIG的摺疊條帶連接到一連串的發光二極體上,並發現輕輕拍打這個條帶,會產生足以使二極體發光的電力。

(圖片來源: 萊斯大學 / 圖爾研究小組)

當較大片的LIG嵌入到人字拖中時,穿戴者的每一步都能產生電力,因為石墨烯複合材料與皮膚反覆接觸會產生電流,從而為小型電容器充電。

(圖片來源: 萊斯大學 / Jeff Fitlow)

圖爾表示:「這種方式可能是採用走路時足跟著地,或者相對於身體揮動手臂產生的多餘能量,為小型裝置充電。」

LIG 是一種石墨烯泡沫。當聚合物或者其他材料的表面上的化學物質被雷射加熱,僅剩下相互連接的二維碳薄片時,這種泡沫就生成了。該實驗室的研究人員首先在普通的聚亞醯胺上製作出LIG,然後再將這項技術拓展到植物、食品以及經過處理的紙張和木材上。

(圖片來源: 萊斯大學 / Jeff Fitlow)

(圖片來源: 萊斯大學 / Jeff Fitlow)

然後,該實驗室的研究人員將聚亞醯胺、軟木以及其他材料轉化為LIG電極,去觀察他們產生能量以及經受日常損耗的效果。他們從位於摩擦生電裝置兩端的材料中獲得了最佳結果,這些材料量化了通過接觸起電產生靜電的能力。

(圖片來源: 萊斯大學 / 圖爾研究小組)

在摺疊的配置中,由摩擦後帶負電的聚亞醯胺創造出的LIG,被噴塗了一層聚氨酯保護層,這個保護層也作為摩擦後帶正電的材料。當這些電極聚集到一起時,電子由聚氨酯轉移至聚亞醯胺。後續的接觸和分離,驅動了可通過外部電路存儲的電荷,對累積的靜電荷進行再平衡處理。摺疊的LIG產生出約1千伏的電壓,並在5000次彎曲循環之後保持穩定。

(圖片來源:參考資料1)

價值

這個最佳配置,具有聚亞醯胺-LIG複合材料和鋁製成的電極,生成的電壓超過3.5千伏,峰值功率超過8毫瓦。

論文領導作者、萊斯大學博士後研究員麥可·斯坦福(Michael Stanford)表示:「嵌入到人字拖中的納米發電機,能在步行1千米之後在電容器上存儲0.22毫焦耳的電能。這種能量存儲率足以通過人體運動為可穿戴的傳感器以及電子器件供電。」

關鍵字

石墨烯、雷射、可穿戴技術、自供電、納米發電機

參考資料

1Michael G. Stanford, John T. Li, Yieu Chyan, Zhe Wang, Winston Wang, James M. Tour. Laser-Induced Graphene Triboelectric Nanogenerators. ACS Nano, 2019; DOI:

10.1021/acsnano.9b02596

2https://news.rice.edu/2019/05/31/flexible-generators-turn-movement-into-energy/


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