石墨烯在摩擦納米發電機中的應用

（上海市中國中學，上海 200233）

0.引言

科技的不斷發展讓人們的生活水平不斷提高，但是隨之而來的是人們對于能源的需求也日益增長。傳統能源已經無法滿足人類的需求，一方面是資源漸漸枯竭，另一方面傳統能源的開采和使用對環境有較大的影響。基于各方面的因素，開發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、化學能等。除此之外，基于微－納米技術的納米發電機作為最新的技術，正在為人類提供能源問題的新的解決方案。納米發電機可以將環境中的機械能、熱能等能量，持續轉化為電能。納米電機技術從2006年開始被研發，從此開始被各國科研人員深入研究，截至目前，已經有多種納米電機被應用于各個領域。由于其尺寸和性能特點，電機常常被用于為低功耗器件、微納米系統提供動力。

相較于傳統的納米電機，柔性透明納米電機具有更加獨特的性能優勢。柔性的特點使得該類型納米電機能夠在外力下彎曲并可恢復原狀，且柔性納米電機即便在彎曲的狀態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，這些特點使其應用前景變得更加廣泛。在一些特殊的設備，如特殊傳感器、可穿戴設備、可觸摸屏幕、高精度醫療設備、可穿戴電源中，柔性透明納米電機的安裝和使用更加方便，且具有更高的靈敏度。而由于摩擦納米發電機的工作原理是摩擦起電效應，所以摩擦電極的材料選擇對發電機的發電效率有著重要的影響。

1.石墨烯的化學結構特點

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，碳原子規整的排列于蜂窩狀點陣結構單元之中。每個碳原子除了以σ 鍵與其他三個碳原子相連之外，剩余的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區域內自由移動，從而使石墨烯具有優異的導電性能。同時，這種緊密堆積的蜂窩狀結構也是構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，石墨烯具有機械強度大、拉伸性能好、導電性好、導熱性能好、透光性能好、可以彎曲（柔性）的優點。

2.石墨烯材料的應用

石墨烯材料的特性：高吸附能力、高力學強度、高透明導電性、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在其他領域得到更多的應用。

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構，這一結構特點是石墨烯具有優良吸附性能的原因。氧化石墨烯或名MGO，是石墨烯氧化產物重的重要一種。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以及芳烷基等結構，所以它對污染物具有較好的吸附性能。

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

2020年以來，口罩已成為對抗COVID-19大流行的重要工具。但是，不當使用或丟棄口罩可能會導致“二次透射”。國際上已經有研究小組成功生產出具有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生領域也有很廣闊的應用前景。

2.2 石墨烯極高的力學強度

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

（1）剛性。通過實驗和模擬獲得的斷裂力幾乎相同，并且二階彈性剛度的實驗值等于340±50Nm-1。假設有效厚度為0.335nm，則該值對應于1.0±0.1TPa的楊氏模量。

（2）強度。無缺陷的單層石墨烯被認為是有史以來測試過的最堅固的材料，其強度為42Nm-1，相當于其固有強度為130GPa。

（3）韌性。斷裂韌度是與工程應用非常相關的性質，是石墨烯最重要的機械性質之一，被測量為4.0±0.6MPa的臨界應力強度因子。

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

石墨烯的力學性能可能使其應用在除電子器件等微小設備以外的其它領域，例如機器人器件、高端裝備等。

2.3 石墨烯的透明導電性

透明導電薄膜是指在可見光區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，且導電性能優良，目前很多高性能光電器件上都會用到透明導電薄膜。

致力于分子電子學的納米技術研究人員對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電體之一。石墨烯中碳原子的獨特原子排列使其電子易于以極高的速度行進，而沒有顯著的散射機會，從而節省了通常在其他導體中損失的寶貴能量。

科學家發現，即使在標稱載流子濃度為零的情況下，石墨烯仍具有導電能力，這是因為電子似乎并未減速或出現局部化。在碳原子周圍移動的電子與石墨烯的蜂窩狀晶格的周期性電勢相互作用，從而產生新的準粒子，這些準粒子失去了質量或靜止質量（所謂的無質量狄拉克費米子）。這意味著石墨烯永遠不會停止導電。還發現它們的行進速度比其他半導體中的電子快得多[1]。

這也是為什么很多科學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，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電性能優越。目前特斯拉、蔚來等企業都在爭奪新能源市場，各家企業也非常重視電池技術的研發，因為電池技術決定了汽車的運行穩定性、安全性和續航能力等核心指標。目前的鋰電池儲能密度還不足夠大，如果將來能使用石墨烯制作的電池，那將大大提升電動汽車的電池能源儲量，續航等性能也會得到極大提升。另外，石墨烯材料中，電子的運動能量幾乎不損耗，這也意味著石墨烯電池不會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越。美國俄亥俄州Nanotek儀器公司研制出了一種新的儲能設備：石墨烯表面鋰離子交換電池或稱表面介導電池（SMCS）。SMCS的功率密度和能儲密度很高，兼具有鋰離子電池和超級電容的儲能特點。特斯拉等新一代電動汽車急需解決的問題就是超快超穩定的充電速度，解決了這個問題才能真正實現對汽油車的革命，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等個人電子產品，都能實現超快充電和超長時使用。目前電池充電的循環次數還不能夠保證，這主要是石墨烯表面添加基團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到2000cm2/Vs，目前來看這個速率還嫌低。但石墨烯材料的載流子遷移速率達到了驚人的幾十萬，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一步提高，例如計算機處理器運行速度有望達到100GHz甚至1000GHz，這也能讓云計算、大數據等最新的技術在更廣泛的領域進行應用。

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速度的射頻器件。射頻晶體管的重要參數之一是截止頻率，一般可通過縮小溝道長度來提高。目前實驗上石墨烯場效應管的溝道長度最小已達到40nm，得到最大截止頻率為300GHz。電子在石墨烯中的運行速度能夠達到光速的 1/300，要比在其他介質中的運行速度快很多，而且只會產生很少的熱量。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生產出的處理器能夠達到1THz（即 1000GHz）[2]。

除上述應用之外，石墨烯在多個領域都有著極大的應用場景，包括：

（1）醫學。石墨烯材料具有較高的機械強度，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。石墨烯復合材料兼具有耐高溫和強度高的特點，有望用于航空航天等先進制造領域。

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

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

3.總結

石墨烯具有機械強度大、拉伸性能好、導電性好、導熱性能好、透光性能好、可以彎曲（柔性）的優點，對于提高摩擦納米發電機的發電效率具有積極影響，并且或許可以改進摩擦納米發電機，使其具有柔性甚至更多性能，使其運用范圍和效果更好。