一种新型石墨烯基发电机,为可扩展的发电提供了有吸引力的新方案

石墨烯-电解质界面已被证明可以应用在一系列的能源设备的平台中，例如太阳能电池、超级电容器、和锂离子电池等。值得注意的是，近期报道了一种新型石墨烯基发电机，其使用石墨烯-液体界面将移动的离子液滴的机械能转换成电能，为可扩展的发电提供了有吸引力的新方案。

图1.聚合物支撑的单层石墨烯器件中的电压产生。 （a）在由SiO2板上的石墨烯/聚合物膜组成的器件上进行发电和SFVS测量的实验装置。 （b）通过在石墨烯/聚合物上滚动的下落水滴测量电压产生的示意图。 （c）示波器轨迹分别显示由石墨烯/ PET（红色）和石墨烯/ PMMA（蓝色）产生的电压尖峰

在这样的装置中，离子液体液滴移动在基板支撑的石墨烯表面的流动会在流动相反的方向产生电流，而这种效应在聚合物涂覆的绝缘体与水的界面处也能观测到这种效应。宏观上，这种发电现象的机制可以通过绘制电位模型来解释：溶质的选择性离子可以吸附在固体/溶液界面并与固体形成赝电容。当离子液滴沿着石墨烯表面移动时，倾向于吸附在界面上的离子被吸引向前进（赝电容器的充电）或从后退边缘排斥（赝电容器的放电）。

同时，石墨烯中带相反电荷的载流子被吸引到前进和后退边缘，导致电流在石墨烯层中流动。因此，离子如何有效地吸引到界面处确定了其发电效率。然而，在微观尺度上，关于将离子吸引到溶液/石墨烯界面的潜在机制仍存在争议。目前缺乏微观理解阻碍了实验中优化和控制离子的能力和能量传感器的性能。此外，液体/石墨烯界面处的离子吸附的微观起源对于石墨烯电化学装置是非常重要的。

图2.水/石墨烯/PET界面处离子吸附的原因。（a）和频振动光谱，分别显示在石墨烯/PMMA和石墨烯/PET界面处的C=O拉伸模式，表示后一界面上的强C=O极性排序。（b）由C=O偶极子的正方形阵列产生的x-y平面中的方位角各向同性电位的计算。（c）单层和3-5层石墨烯/PET器件的和频强度相对于NaCl浓度的相对增加。（d）使用Gouy-Chapman模型从光谱推导出的表面Na +密度与体积NaCl浓度的关系。（e）离子液滴中溶液中的离子和石墨烯中的电子向液滴前缘的运动的示意图。

因此，在最新的一份发表在JACS上的工作中，报告了一项关于聚合物支持的石墨烯发电设备的和频共振光谱（SFVS）研究。根据聚合物表面，溶液/聚合物界面和溶液/石墨烯/聚合物界面的和频振动光谱，研究最终得出以下结论：溶液中的离子不被石墨烯吸引，也不被预充电表面吸引;通过聚合物具有大偶极矩的极性有序表面基团，它们被石墨烯/聚合物或没有石墨烯的聚合物所吸引;单层石墨烯表现为偶极子场的弱屏蔽层，并作为产生电流的无源导电路径;离子与表面偶极子层之间的相互作用是短程的。另外研究还对可能提高器件效率的参数进行了一般性讨论。其结果提供了电解解决方案/石墨烯/聚合物设备更全面的发电情况，这将有助于未来设计此类设备，以实现更高的效率和可切换的操作。