最近，在與水相互作用可發電的單層石墨烯中觀察到了牽引電位。然而，在低成本和更穩定的層狀材料方面產生吸引潛力仍然是一個挑戰。在本研究中，我們使用電流體組裝方法製造了光滑的氧化還原石墨烯(rGO)薄膜。通過控制離子溶液液滴在該rGO膜上的運動，可以產生毫伏量級的電壓，離子溶液的類型和濃度以及液滴的體積和滑動速度會直接影響電壓幅度。通過對rGO薄膜與矽探針之間電雙排斥力的直接觀察，證實了rGO薄膜上存在電雙層(EDL)，從而在液滴/rGO薄膜界面形成了微電容。通過溶液中對陽離子的吸附和解吸，rGO膜上電子轉移時產生了電，這是由rGO膜上的表面電荷密度決定的。由於rGO薄膜具有柔性，可以很容易地轉移到軟質基底上，因此在穿戴式能量採集設備和自供電微機電系統中具有廣闊的應用前景。
Fig. 1 GO納米薄片與rGO薄膜的表面表徵及製備過程。(a) GO納米薄片的AFM圖。(b) GO納米薄片的HRTEM圖。(c) rGO薄膜的製備工藝。(d) rGO薄膜邊緣形態的AFM圖。(e) AFM檢測rGO膜的詳細表面結構。(f) rGO薄膜的SEM圖。
Fig. 2 GO納米薄片和rGO薄膜的組成和結構表徵。(a) GO納米薄片的C 1s譜。(b) rGO薄膜的C1s譜。GO納米薄片和rGO薄膜的(c)拉曼光譜，(d) XRD圖。
Fig. 3 在rGO薄膜上移動離子溶液液滴產生電壓。(a)用於產生電壓的實驗裝置的示意圖。(b)拖動四種液滴(LiCl、NaCl、KCl、純水)在rGO薄膜上交替滑動產生的電壓曲線。(c)拖動0.05 M NaCl溶液的液滴所產生的電壓。
Fig. 4拖動離子溶液液滴在rGO膜上滑動引起感應電壓的影響因素。(a)四種水滴(LiCl、NaCl、KCl、純水)的感應電壓幅值與滑動速度的關係。(b)感應電壓幅值與五種不同滑移速度下LiCl液滴濃度的關係。(c)五種濃度下LiCl液滴的誘導電壓幅值與滑動速度的關係。(d) (c)所示擬合線斜率與LiCl液滴濃度的關係。
Fig. 5 電壓產生的機理。(a) AFM法向力測量過程中探針接近水溶液中的rGO薄膜的示意圖。(b)法向力(Fn)/R與分離的關係。(c) EDL示意圖。(d)液滴運動示意圖。(e)離子溶液的液滴與rGO膜接觸動態過程的等效電路。(f)兩種電阻下rGO薄膜的感應電壓幅值與滑動速度的關係。
相關研究成果於2020年由清華大學Jinjin Li 課題組，發表在Journal of Materials Chemistry A (DOI: 10.1039/d0ta02868a)上。原文 ：Electricity generation by sliding an ionic solution droplet on a self-assembled reduced graphene oxide film。