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上海交通大学Zhuoqing Yang课题组--石墨烯/铜异质结构的电子转移机理用于改善摩擦电纳米发电机的稳定性

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  • 时间:2020-04-01 09:55:38

 

       从机械运动中收集能量已被证明是一种较好的策略,可以满足自供电电子产品的要求。在这里,我们报道了一种基于石墨烯/铜异质结构的感应电极,这种柔软且稳固的电极是通过电沉积和旋涂工艺制造的,也被用于摩擦电纳米发电机(TENG)的能量收集。通常,通过物理剥离制备的石墨烯分散体是通过旋涂工艺涂敷在基于PDMS的铜纳米结构上的。此外,我们提供了电子从石墨烯转移到铜,并引发氧化铜的还原反应的有利证据。石墨烯的功能是避免铜纳米结构的氧化,从而提高了石墨烯/铜异质结构的稳定性并实现了其在摩擦电纳米发电机中的应用。我们阐述了相互作用机理,包括能垒,金属功函数和石墨烯、铜、氧化物之间的电化学电势差。通过检测铜的化学状态随暴露时间的变化,来探测石墨烯/铜异质结构的强化的稳定性。还通过考察其用于TENG输出电气性能,评估其适用性。

Figure 1. 滴落在硅片上的石墨烯分散体的SEM图像:(a)PEG和(b)RGO。 在514.5 nm激光下激发的石墨烯的拉曼光谱:(c)PEG和(d)RGO,(c)中的插图显示了四个用于拟合PEG的2D峰的Lorentzians函数。PEG和RGO的XPS精细谱:(e)C 1s和(f)O 1s。 (g,h)石墨烯/铜异质结构的SEM图像。(i)石墨烯/铜异质结构的XPS总谱以及各种元素的原子百分比。(j)石墨烯/铜异质结构的表面扫描图片,包括碳,铜和氧的元素信息。k)G峰的拉曼光谱。l)在电沉积的铜衬底上掺杂石墨烯前后,Cu 2p3/2结合能位置的偏移。示意图说明了石墨烯和多晶铜之间的功函数差异,并展示了从石墨烯到铜的电子转移。

Figure 2. 各个样品的Cu 2p3/2能级的XPS谱图:(a-c)刚制备不久;(d–f)暴露于50%R.H.的空气中1周后;(g–i)暴露于40%R.H.的空气中1周后。

Figure 3. 顶部修饰有石墨烯或不修饰石墨烯的电沉积铜样品的C 1s 和O 1s 的XPS谱图。

 

Figure 4. (a)本文提出的石墨烯/铜异质结构的抗氧化性和脱氧性作用机制。 (b)此机理参涉及到的电子转移过程和化学反应。

Figure 5. (a)基于皮肤的柔性单电极摩擦电纳米发电机的示意图和光学照片。基于石墨烯/Cu/PDMS的TENG的输出特性:(b)输出电压;(c)电荷转移量。(d)基于石墨烯/ Cu /PDMS的柔性电极的弯曲性能。(e)输出电压,电流和功率密度随外部负载电阻的变化。(f)LED应用:由TENG供电的蓝色LED阵列。(g–i)灵活使用皮肤基单电极摩擦电纳米发电机。

 

       本研究于2020年由上海交通大学的 Zhuoqing Yang 课题组发表于Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104540)
       原文:Electron transfer mechanism of graphene/Cu heterostructure for improving the stability of triboelectric nanogenerators