最近的实验表明,在聚合物支撑的石墨烯上移动水滴可以在石墨烯中产生电压。为了揭示基底、石墨烯和离子水在发电中的作用,我们对水/石墨烯/基底界面进行了多尺度的分析和模拟,发现被基底上表面偶极吸引到石墨烯表面的离子会驱动石墨烯中的电荷重新分布,从而在水/石墨烯/基底界面处形成由石墨烯中的镜像电荷、吸附在石墨烯表面的离子以及溶液中的反离子组成的三电层（ETL）结构。利用朗缪尔（Langmuir）吸附理论结合第一性原理计算，确定了ETL中的离子浓度，并且估计了每个被吸附的离子可在石墨烯中拖动的电荷量。由此,得到了产生的电流与离子浓度、水滴移动速率、石墨烯厚度和基底上的偶极密度、偶极矩之间的关系式,且与实验测量结果吻合。该研究结果表明,控制基底上的表面偶极(密度和大小)可优化水伏发电器件的性能并促进其实际应用。
图1. 绘图电位的示意图模型。(a)当水滴在PET-支撑的石墨烯上向前移动时，离子被吸附在石墨烯上，在石墨烯和水之间形成ETL。(b)正离子被PET基底上C=O基团中的负O原子吸引;在液滴前端附近，随着液滴运动，新的ETL不断形成，将附近石墨烯(像电荷层)中的电子拖回流动。
图2. 用传统吸附理论计算的结果。(a)计算石墨烯上吸附离子的密度σ(线)，与Yang等人的实验结果(紫色正方形)进行了比较。(b)吸附离子，，在石墨烯上的相对表面覆盖率随时间的变化。系统大约需要0.4 ns才能达到平衡(，紫色交叉)。
图3. 吸附Na+诱导石墨烯中电子的再分布。(a)电荷密度差等面图(0.001,0.005 e/Å3)。电子从蓝色区域转移到粉色区域。圆柱体表示我们确定的Na+吸附时电子转移的空间。(b)石墨烯中电子转移的示意图。(c) 图(a)中确定的电子转移到圆柱体中的模型。这里，从各个方向进入石墨烯平面下方和上方的圆柱体截面的转移电子分别总结为Δq1和 Δq2。两点p1和p2是我们计算外场的位置。(d)单层石墨烯在R和L的参数空间中，模型确定的Δq与DFT的差值分布(定义见图(c))。Q在文中有定义。对于R= 5.0 Å，L= 1.0 Å，Q= 0.021 e。
图4. 计算结果。(a)计算了石墨烯层数Ng与电流I和电压V的关系。(b)计算电流I在表面偶极子密度σd和偶极子矩p参数空间中的等值线图。
相关研究成果由南京航空航天大学机械结构力学与控制国家重点实验室张宏波等人于2021年发表在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。
联系客服
