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新南威尔士大学Wengui Li, Shuhua Peng等--石墨烯增强水泥基摩擦纳米发电机可用于民用基础设施高效能量收集
        本研究调查了一种石墨烯增强水泥基摩擦纳米发电机 (TENG),旨在收集基础设施中的机械能,例如行人、车辆、人为振动以及风和地震等自然刺激。水泥基 TENG 的摩擦电层由完全固化的石墨烯改性水泥基板和聚四氟乙烯 (PTFE) 薄膜组成,并在接触-分离模式下进行测试。微观结构分析表明,石墨烯在水泥基体中分散良好,石墨烯-水泥复合材料的抗压强度和抗弯强度分别达到 53.0 和 3.5 MPa。石墨烯-水泥复合材料的电特性,特别是它们的电阻率和阻抗,表明它们没有达到渗透阈值,使其成为理想的介电材料,介电常数在 1 kHz 时为 100。水泥基摩擦纳米发电机 (TENG) 的性能取决于接触-分离循环的幅度和频率。在 10 Hz 频率和 100 N 力的作用下,短路电流和开路电压分别达到 3.62 µA 和 279.4 V 的峰值,使用 100 M© 电阻可实现 95 mW/m2 的最大功率密度。在实际应用中,该 TENG 在一分钟内将 10 ¼F 电容器充电至 3.1 V,在一小时内充电至 57.2 V。此外,手动操作 TENG 可在一分钟内用手压点亮 29 个 LED。通过利用摩擦电效应,该结果为未来智能城市自供电混凝土结构和路面提供了可行性。
 

图 1. 制备程序和实验装置:(a)石墨烯-水泥复合材料的生产;(b)水泥基TENG的成分、实验配置和最终产品。
 

图 2. 石墨烯-水泥复合材料的物理和机械性能:(a)吸水率;(b)一次和二次吸附率;(c)抗压强度和抗弯强度。
 
 
图3. 宏观和微观形貌和阶段:(a)石墨烯的微观结构;(b)石墨烯悬浮液;(c)石墨烯悬浮液的吸光度;(d)水泥基TENG的表面形貌;(e)和(f)石墨烯-水泥复合材料在碳元素上的微观结构和EDX结果;(g)研磨的石墨烯-水泥粉末的XRD结果。
 
 
图 4. 石墨烯-水泥复合材料的电学和介电性能:(a)直流固化过程中的电阻率发展;(b)水泥基板的阻抗;(c)水泥基板的电导率;(d)随频率变化的相对介电常数。
 
 
图 5. 100 N 力作用下水泥基 TENG 的摩擦电性能:(a)频率从 1 到 10 Hz 变化的短路电流;(b)使用 3 G© 电阻器时频率变化的开路电压;(c)电压与频率;(d)数千次循环后的稳定性;(e)和(f)不同负载电阻值下水泥基 TENG 输出电压、电流和功率密度。
 
 
图 6. 力幅对开路电压和短路电流输出的影响:(a)2、5、10、50、100 和 200 N 下的电压输出;(b)200 N 下的短路电流;(c)电压和电流输出与压力的关系。
 
 
图7. 水泥基 TENG 的充电性能:(a) 电容器充电电路图;(b) 整流短路电流;(c) 和 (d) 水泥基 TENG 充电的 10、20 和 50 ¼F 电容器的电压和能量曲线。
 
 
图 8. 用于能量收集和多功能应用的水泥基 TENG:(a)摩擦电机制;(b)基础设施中存在的机械能;(c)在各种基础设施中的潜在应用。
 
 
图 9. 实验室设计的水泥基 TENG:(a) 手动水泥基 TENG 装置;(b) 手动水泥基 TENG 充电的电容器;(c) 手动水泥基 TENG 在低频和高频下的输出电流和整流电流;(d) 充电 10 ¼F 电容器的电压增加;(e) 由水泥基 TENG 点亮的 29 个 LED 显示字母 CEMT 的照片。
 
 
图 10. 为土木工程应用而设计的水泥基 TENG:案例 1(用于风能收集的桥梁应用)和案例 2(用于行人和车辆诱导的机械能收集的路面应用)的原理图、实验装置和输出电流和功率。
 
        相关科研成果由新南威尔士大学Wengui Li, Shuhua Peng等人于2024年发表在Nano Energy(https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380)上。原文:Graphene reinforced cement-based triboelectric nanogenerator for efficient energy harvesting in civil infrastructure
        原文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380

转自《石墨烯研究》公众号
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