石墨烯在摩擦纳米发电机中的应用

（上海市中国中学，上海 200233）

0.引言

科技的不断发展让人们的生活水平不断提高，但是随之而来的是人们对于能源的需求也日益增长。传统能源已经无法满足人类的需求，一方面是资源渐渐枯竭，另一方面传统能源的开采和使用对环境有较大的影响。基于各方面的因素，开发和使用可再生能源变得尤为重要。可再生能源有多种，例如太阳能、水能、生物能、化学能等。除此之外，基于微－纳米技术的纳米发电机作为最新的技术，正在为人类提供能源问题的新的解决方案。纳米发电机可以将环境中的机械能、热能等能量，持续转化为电能。纳米电机技术从2006年开始被研发，从此开始被各国科研人员深入研究，截至目前，已经有多种纳米电机被应用于各个领域。由于其尺寸和性能特点，电机常常被用于为低功耗器件、微纳米系统提供动力。

相较于传统的纳米电机，柔性透明纳米电机具有更加独特的性能优势。柔性的特点使得该类型纳米电机能够在外力下弯曲并可恢复原状，且柔性纳米电机即便在弯曲的状态下也能保证能量的输出；透明的特性使其具有较高的透光性，这些特点使其应用前景变得更加广泛。在一些特殊的设备，如特殊传感器、可穿戴设备、可触摸屏幕、高精度医疗设备、可穿戴电源中，柔性透明纳米电机的安装和使用更加方便，且具有更高的灵敏度。而由于摩擦纳米发电机的工作原理是摩擦起电效应，所以摩擦电极的材料选择对发电机的发电效率有着重要的影响。

1.石墨烯的化学结构特点

石墨烯是一种由碳原子以SP2杂化连接形成的单原子层二维晶体，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。每个碳原子除了以σ 键与其他三个碳原子相连之外，剩余的π电子与其他碳原子的π电子形成离域大π键，电子可在此区域内自由移动，从而使石墨烯具有优异的导电性能。同时，这种紧密堆积的蜂窝状结构也是构造其他碳材料的基本单元，单原子层的石墨烯可以包裹形成零维的富勒烯，单层或者多层的石墨烯可以卷曲形成单壁或者多壁的碳纳米管。

总的来说，石墨烯具有机械强度大、拉伸性能好、导电性好、导热性能好、透光性能好、可以弯曲（柔性）的优点。

2.石墨烯材料的应用

石墨烯材料的特性：高吸附能力、高力学强度、高透明导电性、比表面积大、极高载流子迁移速度，这些特性让摩擦纳米电机在其他领域得到更多的应用。

2.1 石墨烯的极高吸附能力

石墨烯具有超大的比表面积和丰富的孔隙结构，这一结构特点是石墨烯具有优良吸附性能的原因。氧化石墨烯或名MGO，是石墨烯氧化产物重的重要一种。氧化石墨烯的制备方式是通过浓硫酸等强氧化剂将石墨氧化，然后将石墨剥离而成。氧化石墨烯带有含氧官能团以及芳烷基等结构，所以它对污染物具有较好的吸附性能。

净化微咸水的一种相对较新的方法是电容去离子（CDI）技术。CDI的优点是它没有二次污染，具有成本效益和能源效率。研究人员已经开发出一种CDI应用，该应用使用类石墨烯的纳米薄片作为电容性去离子电极。他们发现，石墨烯电极比常规使用的活性炭材料具有更好的CDI性能。

2020年以来，口罩已成为对抗COVID-19大流行的重要工具。但是，不当使用或丢弃口罩可能会导致“二次透射”。国际上已经有研究小组成功生产出具有80%抗菌效率的石墨烯面罩，如果暴露在阳光下约10min，其抗菌效率可以提高到几乎100%，所以石墨烯材的特性使其在卫生领域也有很广阔的应用前景。

2.2 石墨烯极高的力学强度

石墨烯令人印象深刻的固有机械性能，其刚度、强度和韧性，是使石墨烯作为单独的材料和复合材料中的增强剂脱颖而出的原因之一。它们是由SP6键的稳定性引起的，SP2键形成六边形晶格并抵抗各种平面内变形。

（1）刚性。通过实验和模拟获得的断裂力几乎相同，并且二阶弹性刚度的实验值等于340±50Nm-1。假设有效厚度为0.335nm，则该值对应于1.0±0.1TPa的杨氏模量。

（2）强度。无缺陷的单层石墨烯被认为是有史以来测试过的最坚固的材料，其强度为42Nm-1，相当于其固有强度为130GPa。

（3）韧性。断裂韧度是与工程应用非常相关的性质，是石墨烯最重要的机械性质之一，被测量为4.0±0.6MPa的临界应力强度因子。

全世界的研究人员正在致力于开发可工业制造的石墨烯片材，该片材在所有片材方向上均具有高强度和韧性，可用于各种用途，例如用于车辆，光电和神经植入物的石墨烯基复合材料。

石墨烯的力学性能可能使其应用在除电子器件等微小设备以外的其它领域，例如机器人器件、高端装备等。

2.3 石墨烯的透明导电性

透明导电薄膜是指在可见光区域有比较好的透光率（Tavg 大于 80%）的薄膜材料，这种材料的电阻率一般在5Ω/m～10Ω/m，且导电性能优良，目前很多高性能光电器件上都会用到透明导电薄膜。

致力于分子电子学的纳米技术研究人员对石墨烯如此兴奋的原因之一是其电子特性—它是地球上最好的导电体之一。石墨烯中碳原子的独特原子排列使其电子易于以极高的速度行进，而没有显着的散射机会，从而节省了通常在其他导体中损失的宝贵能量。

科学家发现，即使在标称载流子浓度为零的情况下，石墨烯仍具有导电能力，这是因为电子似乎并未减速或出现局部化。在碳原子周围移动的电子与石墨烯的蜂窝状晶格的周期性电势相互作用，从而产生新的准粒子，这些准粒子失去了质量或静止质量（所谓的无质量狄拉克费米子）。这意味着石墨烯永远不会停止导电。还发现它们的行进速度比其他半导体中的电子快得多[1]。

这也是为什么很多科学家想要将石墨烯作为太阳能电池透明电极材料，希望借助石墨提升发电效率。

2.4 巨大的比表面积

石墨烯是碳原子形成的单原子层二维晶体，呈展开状态，具有非常大的比表面积。如果在地球的表面铺上一层石墨烯，可能只需要几吨的量。除了非常大的表面积之外，上文也提到石墨烯的透明导电性能优越。目前特斯拉、蔚来等企业都在争夺新能源市场，各家企业也非常重视电池技术的研发，因为电池技术决定了汽车的运行稳定性、安全性和续航能力等核心指标。目前的锂电池储能密度还不足够大，如果将来能使用石墨烯制作的电池，那将大大提升电动汽车的电池能源储量，续航等性能也会得到极大提升。另外，石墨烯材料中，电子的运动能量几乎不损耗，这也意味着石墨烯电池不会存在锂电池那样的过热问题，在安全性和耐用性能上也更加优越。美国俄亥俄州Nanotek仪器公司研制出了一种新的储能设备：石墨烯表面锂离子交换电池或称表面介导电池（SMCS）。SMCS的功率密度和能储密度很高，兼具有锂离子电池和超级电容的储能特点。特斯拉等新一代电动汽车急需解决的问题就是超快超稳定的充电速度，解决了这个问题才能真正实现对汽油车的革命，SMCS可能是解决这一问题的潜在方案。未来无论是汽车还是手机等个人电子产品，都能实现超快充电和超长时使用。目前电池充电的循环次数还不能够保证，这主要是石墨烯表面添加基团的修饰问题还未解决[2]。

2.5 石墨烯极高的载流子迁移速度

在载流子迁移速率方面，一般的材料（如硅）的性能最高也只能达到2000cm2/Vs，目前来看这个速率还嫌低。但石墨烯材料的载流子迁移速率达到了惊人的几十万，甚至上百万。如果能将石墨烯取代硅，那么电子器件的性能将进一步提高，例如计算机处理器运行速度有望达到100GHz甚至1000GHz，这也能让云计算、大数据等最新的技术在更广泛的领域进行应用。

除此之外，石墨烯极高的载流子迁移率也可使其用于制作高响应速度的射频器件。射频晶体管的重要参数之一是截止频率，一般可通过缩小沟道长度来提高。目前实验上石墨烯场效应管的沟道长度最小已达到40nm，得到最大截止频率为300GHz。电子在石墨烯中的运行速度能够达到光速的 1/300，要比在其他介质中的运行速度快很多，而且只会产生很少的热量。石墨烯的这些特性尤其适合于高频电路，使用石墨烯作为基质生产出的处理器能够达到1THz（即 1000GHz）[2]。

除上述应用之外，石墨烯在多个领域都有着极大的应用场景，包括：

（1）医学。石墨烯材料具有较高的机械强度，有望用于制作手臂等器官；石墨烯有可能用于肿瘤等疾病的治疗。

（2）高端装备。石墨烯复合材料兼具有耐高温和强度高的特点，有望用于航空航天等先进制造领域。

（3）先进传感器。石墨烯由于其独特的光学和电学性能，以及极高的载流子迁移速度，可作为先进传感器的理想材料。

石墨烯的诞生发展历史不长，虽然还没有投入应用，但是作为一种新兴的材料，石墨烯的发展已经非常迅速，且未来的应用也非常让人期待。

3.总结

石墨烯具有机械强度大、拉伸性能好、导电性好、导热性能好、透光性能好、可以弯曲（柔性）的优点，对于提高摩擦纳米发电机的发电效率具有积极影响，并且或许可以改进摩擦纳米发电机，使其具有柔性甚至更多性能，使其运用范围和效果更好。