收集所有可获得的清洁能源是一项重要战略，有助于消除目前对不可再生能源的依赖。近年来，摩擦电纳米发电机作为一种新型的机械能收集器受到人们的关注，它是电池的有效替代品，尤其适用于便携式设备。在这里，通过加入氮掺杂石墨烯(N-石墨烯)，增加了少层石墨烯基电极的电容，使TENGs的输出功率提高了3倍。研究了不同类型N-石墨烯的电子性质、掺杂浓度以及N-吡啶和N-石墨位的相对含量对TENGs性能的影响。这些位点具有不同的电子亲和力，并协同作用于N-石墨烯的电容性和电阻性的变化，从而影响TENG性能。结果表明，当N-石墨烯（一个N-半导体）与正摩擦电材料和电极界面接触时，TENG的功率增强，而当它与负摩擦电材料界面接触时，观察到电性能下降。这种行为可以用N-石墨烯的量子电容对电极化学势的依赖来解释，其通过在摩擦生电时在两个电极上产生的相反极化而移动。
 
  图1. N-掺杂石墨烯材料的N 1s XPS谱:a) N1;b) N2;c) R-N。
 

图2. 拉曼光谱分析。每个样品至少获得和分析了100个光谱。a) D、G峰区的N2单谱拟合显示存在D、D^*、G、D´峰; b) 2D区域的N2单谱拟合显示存在2D、D+D´和2D´峰; c) 2D峰位与对应G峰位的分布情况; d) G峰FWHM值(FWHM G)随对应G峰位置的分布。
 
  图3. a)触点间隔工作模式下使用的TENG结构示意图。b)和c)显示了嵌入PVDF膜的摩擦电极的SEM横截面图像。
 
  图4. 两种设备配置的TENGs瞬时输出功率测量:a)和c)在正摩擦材料(尼龙)( FLG/ PU_X/nylon // PVDF/FLG)的界面上引入功能性Pu夹层;RMS功率:6.95 μW, PU_N1;8.25µW PU_N2;6.45µW, PU_r-N;6.3µW ,PU-only;无夹层的TENGs为5µW。b)和d)在与负摩擦材料(PVDF) (FLG/nylon // PVDF/PU_X/ FLG)的界面处引入夹层。c)和d)达到V_OC饱和条件,连续循环200秒后测量的开路电压(V_OC)。(外力10 N，工作频率5 Hz, 4×4 cm², 5mm;用40 ΩM探头采集V_OC)。
 
 
图5. a)由Au/PU-interlayer/Au (PU_N1;PU_N2;PU_r-N)组成的三明治状器件上获得的阻抗谱)。插图显示了高频区域的阻抗谱。b)瞬时峰值功率与N_pyr/(N_graph +N_pyr)比的关系。c)瞬时峰值功率与电容电阻比(C/R)的关系。d)拟合图a)中阻抗谱的等效电路。e)表示N_pyr和N_graph在N-石墨烯电容增加的协同作用的方案。
 
  图6. a)N-掺杂石墨烯在负摩擦材料界面时的感应电位(V_oc)损失的机理基础示意图，b) N-掺杂石墨烯在正摩擦材料界面时TENG性能的改善。
 
      相关研究成果由意大利微电子和微系统研究所-国家研究委员会Giuseppina Pace等人于2021年发表在Nano Energy (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106173)上。原文：Nitrogen-doped graphene based triboelectric nanogenerators。

转自《石墨烯研究》公众号