石墨烯表面改性及在能量转化方面的性能研究

A new pathway was proposed to solve the coming problems of energy shortage and energy conversion by nanotechnology. Graphene, one of the typical carbon nanomaterials, has been extensively investigated by the researchers from domestic and abroad. Harvesting and converting the mechanical energy based on the structural features of graphene will bring much broader prospects to deal with the energy supplying in micro-system and to study the vibrational sensors. So this work is carried out to investigate the energy conversion based on the surface modification of graphene. It mainly includes that the structure changes of graphene oxide (GO) films under different pH values, the extension of the previous work, and probing the dynamic process of the changes; regulating the electricity of GO films by adjusting the power and time of the injection, then investigating the output current of the device which was used to harvest the mechanical energy (vibration or movement energy); learning more about the capacity of the device's output with the idential principle, which is fixed with the graphene films oxided by different degree; establishing a relationship between the vibration frequency and the output of electricity, then further investigating the vibrational sensors and their potential applications in fault diagnosis of rolling element bearings. These successful works will supply new ideas in the surface modification of graphene, lay the foundation for the research on energy harvesting and conversion directly based on graphene, and provide a reliable model to harvest the vibration energy.

纳米技术为人类面临的能源短缺和能量的有效转化问题提供了一条崭新的路径。石墨烯作为典型的碳纳米材料已被广泛研究，利用石墨烯的结构特征直接进行机械能的收集与转化对于解决微系统能源供应问题和振动传感器的研究则具有更广阔的前景。本项目将在前期研究工作的基础上，研究氧化石墨烯膜在不同pH值条件下的结构变化，探索其结构变化的动态过程；通过控制对氧化石墨烯膜的电荷注入时间、功率来调控氧化石墨烯膜所带电量，进而研究其在机械能（振动能和运动能）收集器件结构中的电流输出；研究不同氧化程度的石墨烯成膜后在机械能收集器件中的电流输出"能力"；建立振动频率与电能输出之间的关系，进一步研究振动传感器并探索其在轴承故障检测中的可能应用。本项目的成功实施将为石墨烯的表面控制改性提供新思路，为其直接用于能量收集与转化方面的研究奠定基础，也为振动能的收集提供可靠模型。

纳米技术为人类面临的能源短缺和能量的有效转化问题提供了一条崭新的路径。石墨烯作为典型的碳纳米材料已被广泛研究，利用石墨烯的结构特征直接进行机械能的收集与转化对于解决微系统能源供应问题和振动传感器的研究则具有更广阔的前景。本项目是在前期研究工作的基础上，研究氧化石墨烯膜在不同的电荷注入时间、功率条件下调控氧化石墨烯膜所带电量，进而研究其在机械能收集器件结构中的电流输出。实验结果表明当电压控制在20kV时，照射时间分别为10、40、80、120s时，其平均输出电流从0.25nA逐渐上升到1nA；当照射时间控制在40s时，注入电压分别为5、10、20、30kV时，其平均输出电流从0.18nA上升到0.9nA。这些变化说明氧化石墨烯可以被充电而形成微型驻极体。.本项目还研究了“类石墨烯”的“类驻极体效应”。 利用高温法制备的氮化硼纳米片因有较多的缺陷而具有很强的溶剂依赖性：分散在丙酮中的纳米片通过EFM检测到约0.35mV的表面电位，而分散在水中的纳米片却很难检测到电位信号。将这些分散在丙酮中的纳米片组装成膜后制成微型发电机，能够产生约0.98nA的平均电流，而分散在水中的纳米片组装成膜后却只能产生约0.2nA的平均电流。利用溶剂剥离法制备的氮化硼纳米片组装成膜后制备成同样的发电机器件，并没有电流产生。从而证明了我们之前得到的电流是因为氮化硼的缺陷而产生的溶剂依赖性，这种溶剂依赖性类似于驻极体中的电荷“冻结”，可以较为长久的保持电荷，具有驻极体的效应。.在本项目的资助下，利用简单的水热合成一锅法在镍泡沫表面制备了Co9S8/Ni3S2复合物纳米薄片，用作电容器的活性电极。结果发现，当电容面积为8.95 F cm–2时，电流密度为4 mA cm–2；电容面积为7.80 F cm–2时，电流密度可高达12 mA cm–2。将这种纳米薄片用作正极、多孔碳作为负极进行测试，不对称超电容的能量密度为81.7 Wh kg-1。这种巨大的电容量增大了循环稳定性，提高的能量密度和功率密度。