石墨烯在摩擦納米發(fā)電機(jī)中的應(yīng)用

（上海市中國中學(xué)，上海 200233）

0.引言

科技的不斷發(fā)展讓人們的生活水平不斷提高，但是隨之而來的是人們對(duì)于能源的需求也日益增長。傳統(tǒng)能源已經(jīng)無法滿足人類的需求，一方面是資源漸漸枯竭，另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)能源的開采和使用對(duì)環(huán)境有較大的影響。基于各方面的因素，開發(fā)和使用可再生能源變得尤為重要。可再生能源有多種，例如太陽能、水能、生物能、化學(xué)能等。除此之外，基于微－納米技術(shù)的納米發(fā)電機(jī)作為最新的技術(shù)，正在為人類提供能源問題的新的解決方案。納米發(fā)電機(jī)可以將環(huán)境中的機(jī)械能、熱能等能量，持續(xù)轉(zhuǎn)化為電能。納米電機(jī)技術(shù)從2006年開始被研發(fā)，從此開始被各國科研人員深入研究，截至目前，已經(jīng)有多種納米電機(jī)被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于其尺寸和性能特點(diǎn)，電機(jī)常常被用于為低功耗器件、微納米系統(tǒng)提供動(dòng)力。

相較于傳統(tǒng)的納米電機(jī)，柔性透明納米電機(jī)具有更加獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。柔性的特點(diǎn)使得該類型納米電機(jī)能夠在外力下彎曲并可恢復(fù)原狀，且柔性納米電機(jī)即便在彎曲的狀態(tài)下也能保證能量的輸出；透明的特性使其具有較高的透光性，這些特點(diǎn)使其應(yīng)用前景變得更加廣泛。在一些特殊的設(shè)備，如特殊傳感器、可穿戴設(shè)備、可觸摸屏幕、高精度醫(yī)療設(shè)備、可穿戴電源中，柔性透明納米電機(jī)的安裝和使用更加方便，且具有更高的靈敏度。而由于摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理是摩擦起電效應(yīng)，所以摩擦電極的材料選擇對(duì)發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率有著重要的影響。

1.石墨烯的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化連接形成的單原子層二維晶體，碳原子規(guī)整的排列于蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)單元之中。每個(gè)碳原子除了以σ 鍵與其他三個(gè)碳原子相連之外，剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，從而使石墨烯具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能。同時(shí)，這種緊密堆積的蜂窩狀結(jié)構(gòu)也是構(gòu)造其他碳材料的基本單元，單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，單層或者多層的石墨烯可以卷曲形成單壁或者多壁的碳納米管。

總的來說，石墨烯具有機(jī)械強(qiáng)度大、拉伸性能好、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性能好、透光性能好、可以彎曲（柔性）的優(yōu)點(diǎn)。

2.石墨烯材料的應(yīng)用

石墨烯材料的特性：高吸附能力、高力學(xué)強(qiáng)度、高透明導(dǎo)電性、比表面積大、極高載流子遷移速度，這些特性讓摩擦納米電機(jī)在其他領(lǐng)域得到更多的應(yīng)用。

2.1 石墨烯的極高吸附能力

石墨烯具有超大的比表面積和豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是石墨烯具有優(yōu)良吸附性能的原因。氧化石墨烯或名MGO，是石墨烯氧化產(chǎn)物重的重要一種。氧化石墨烯的制備方式是通過濃硫酸等強(qiáng)氧化劑將石墨氧化，然后將石墨剝離而成。氧化石墨烯帶有含氧官能團(tuán)以及芳烷基等結(jié)構(gòu)，所以它對(duì)污染物具有較好的吸附性能。

凈化微咸水的一種相對(duì)較新的方法是電容去離子（CDI）技術(shù)。CDI的優(yōu)點(diǎn)是它沒有二次污染，具有成本效益和能源效率。研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種CDI應(yīng)用，該應(yīng)用使用類石墨烯的納米薄片作為電容性去離子電極。他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯電極比常規(guī)使用的活性炭材料具有更好的CDI性能。

2020年以來，口罩已成為對(duì)抗COVID-19大流行的重要工具。但是，不當(dāng)使用或丟棄口罩可能會(huì)導(dǎo)致“二次透射”。國際上已經(jīng)有研究小組成功生產(chǎn)出具有80%抗菌效率的石墨烯面罩，如果暴露在陽光下約10min，其抗菌效率可以提高到幾乎100%，所以石墨烯材的特性使其在衛(wèi)生領(lǐng)域也有很廣闊的應(yīng)用前景。

2.2 石墨烯極高的力學(xué)強(qiáng)度

石墨烯令人印象深刻的固有機(jī)械性能，其剛度、強(qiáng)度和韌性，是使石墨烯作為單獨(dú)的材料和復(fù)合材料中的增強(qiáng)劑脫穎而出的原因之一。它們是由SP6鍵的穩(wěn)定性引起的，SP2鍵形成六邊形晶格并抵抗各種平面內(nèi)變形。

（1）剛性。通過實(shí)驗(yàn)和模擬獲得的斷裂力幾乎相同，并且二階彈性剛度的實(shí)驗(yàn)值等于340±50Nm-1。假設(shè)有效厚度為0.335nm，則該值對(duì)應(yīng)于1.0±0.1TPa的楊氏模量。

（2）強(qiáng)度。無缺陷的單層石墨烯被認(rèn)為是有史以來測(cè)試過的最堅(jiān)固的材料，其強(qiáng)度為42Nm-1，相當(dāng)于其固有強(qiáng)度為130GPa。

（3）韌性。斷裂韌度是與工程應(yīng)用非常相關(guān)的性質(zhì)，是石墨烯最重要的機(jī)械性質(zhì)之一，被測(cè)量為4.0±0.6MPa的臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子。

全世界的研究人員正在致力于開發(fā)可工業(yè)制造的石墨烯片材，該片材在所有片材方向上均具有高強(qiáng)度和韌性，可用于各種用途，例如用于車輛，光電和神經(jīng)植入物的石墨烯基復(fù)合材料。

石墨烯的力學(xué)性能可能使其應(yīng)用在除電子器件等微小設(shè)備以外的其它領(lǐng)域，例如機(jī)器人器件、高端裝備等。

2.3 石墨烯的透明導(dǎo)電性

透明導(dǎo)電薄膜是指在可見光區(qū)域有比較好的透光率（Tavg 大于 80%）的薄膜材料，這種材料的電阻率一般在5Ω/m～10Ω/m，且導(dǎo)電性能優(yōu)良，目前很多高性能光電器件上都會(huì)用到透明導(dǎo)電薄膜。

致力于分子電子學(xué)的納米技術(shù)研究人員對(duì)石墨烯如此興奮的原因之一是其電子特性—它是地球上最好的導(dǎo)電體之一。石墨烯中碳原子的獨(dú)特原子排列使其電子易于以極高的速度行進(jìn)，而沒有顯著的散射機(jī)會(huì)，從而節(jié)省了通常在其他導(dǎo)體中損失的寶貴能量。

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，即使在標(biāo)稱載流子濃度為零的情況下，石墨烯仍具有導(dǎo)電能力，這是因?yàn)殡娮铀坪醪⑽礈p速或出現(xiàn)局部化。在碳原子周圍移動(dòng)的電子與石墨烯的蜂窩狀晶格的周期性電勢(shì)相互作用，從而產(chǎn)生新的準(zhǔn)粒子，這些準(zhǔn)粒子失去了質(zhì)量或靜止質(zhì)量（所謂的無質(zhì)量狄拉克費(fèi)米子）。這意味著石墨烯永遠(yuǎn)不會(huì)停止導(dǎo)電。還發(fā)現(xiàn)它們的行進(jìn)速度比其他半導(dǎo)體中的電子快得多[1]。

這也是為什么很多科學(xué)家想要將石墨烯作為太陽能電池透明電極材料，希望借助石墨提升發(fā)電效率。

2.4 巨大的比表面積

石墨烯是碳原子形成的單原子層二維晶體，呈展開狀態(tài)，具有非常大的比表面積。如果在地球的表面鋪上一層石墨烯，可能只需要幾噸的量。除了非常大的表面積之外，上文也提到石墨烯的透明導(dǎo)電性能優(yōu)越。目前特斯拉、蔚來等企業(yè)都在爭奪新能源市場，各家企業(yè)也非常重視電池技術(shù)的研發(fā)，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)決定了汽車的運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性和續(xù)航能力等核心指標(biāo)。目前的鋰電池儲(chǔ)能密度還不足夠大，如果將來能使用石墨烯制作的電池，那將大大提升電動(dòng)汽車的電池能源儲(chǔ)量，續(xù)航等性能也會(huì)得到極大提升。另外，石墨烯材料中，電子的運(yùn)動(dòng)能量幾乎不損耗，這也意味著石墨烯電池不會(huì)存在鋰電池那樣的過熱問題，在安全性和耐用性能上也更加優(yōu)越。美國俄亥俄州Nanotek儀器公司研制出了一種新的儲(chǔ)能設(shè)備：石墨烯表面鋰離子交換電池或稱表面介導(dǎo)電池（SMCS）。SMCS的功率密度和能儲(chǔ)密度很高，兼具有鋰離子電池和超級(jí)電容的儲(chǔ)能特點(diǎn)。特斯拉等新一代電動(dòng)汽車急需解決的問題就是超快超穩(wěn)定的充電速度，解決了這個(gè)問題才能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)汽油車的革命，SMCS可能是解決這一問題的潛在方案。未來無論是汽車還是手機(jī)等個(gè)人電子產(chǎn)品，都能實(shí)現(xiàn)超快充電和超長時(shí)使用。目前電池充電的循環(huán)次數(shù)還不能夠保證，這主要是石墨烯表面添加基團(tuán)的修飾問題還未解決[2]。

2.5 石墨烯極高的載流子遷移速度

在載流子遷移速率方面，一般的材料（如硅）的性能最高也只能達(dá)到2000cm2/Vs，目前來看這個(gè)速率還嫌低。但石墨烯材料的載流子遷移速率達(dá)到了驚人的幾十萬，甚至上百萬。如果能將石墨烯取代硅，那么電子器件的性能將進(jìn)一步提高，例如計(jì)算機(jī)處理器運(yùn)行速度有望達(dá)到100GHz甚至1000GHz，這也能讓云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等最新的技術(shù)在更廣泛的領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用。

除此之外，石墨烯極高的載流子遷移率也可使其用于制作高響應(yīng)速度的射頻器件。射頻晶體管的重要參數(shù)之一是截止頻率，一般可通過縮小溝道長度來提高。目前實(shí)驗(yàn)上石墨烯場效應(yīng)管的溝道長度最小已達(dá)到40nm，得到最大截止頻率為300GHz。電子在石墨烯中的運(yùn)行速度能夠達(dá)到光速的 1/300，要比在其他介質(zhì)中的運(yùn)行速度快很多，而且只會(huì)產(chǎn)生很少的熱量。石墨烯的這些特性尤其適合于高頻電路，使用石墨烯作為基質(zhì)生產(chǎn)出的處理器能夠達(dá)到1THz（即 1000GHz）[2]。

除上述應(yīng)用之外，石墨烯在多個(gè)領(lǐng)域都有著極大的應(yīng)用場景，包括：

（1）醫(yī)學(xué)。石墨烯材料具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，有望用于制作手臂等器官；石墨烯有可能用于腫瘤等疾病的治療。

（2）高端裝備。石墨烯復(fù)合材料兼具有耐高溫和強(qiáng)度高的特點(diǎn)，有望用于航空航天等先進(jìn)制造領(lǐng)域。

（3）先進(jìn)傳感器。石墨烯由于其獨(dú)特的光學(xué)和電學(xué)性能，以及極高的載流子遷移速度，可作為先進(jìn)傳感器的理想材料。

石墨烯的誕生發(fā)展歷史不長，雖然還沒有投入應(yīng)用，但是作為一種新興的材料，石墨烯的發(fā)展已經(jīng)非常迅速，且未來的應(yīng)用也非常讓人期待。

3.總結(jié)

石墨烯具有機(jī)械強(qiáng)度大、拉伸性能好、導(dǎo)電性好、導(dǎo)熱性能好、透光性能好、可以彎曲（柔性）的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電效率具有積極影響，并且或許可以改進(jìn)摩擦納米發(fā)電機(jī)，使其具有柔性甚至更多性能，使其運(yùn)用范圍和效果更好。