【Chem. Eng. J.】可回收废物衍生TENG用于机械-电化学剥离自供电合成无缺陷石墨烯

研究背景

不可降解的塑料废弃物对于环境与公共健康造成了巨大的威胁，因此如何对这类废弃物进行资源化利用是一个显著的挑战。由于可用于摩擦电材料的选择对象众多，这其中便包括聚合物基材料，因此将此类废物回收并开发成摩擦纳米发电机（TENG）是一种有潜力的解决方案。已有大量前人的工作将废弃的口罩、聚酯薄膜、清洁海绵、塑胶袋、实验室垃圾、塑料瓶等回收并开发成TENG，但基于PVC的研究还尚未报导。

电化学剥离技术由于其易操作、成本低廉、污染少、可控以及高效等优点，在材料提取方面引起了极大的兴趣。当施加电势时，电化学剥离作用可将阳离子或阴离子从电解质嵌入材料的夹层。由于石墨烯作为一种性质新奇的材料吸引了众多研究者，已有大量研究通过电化学剥离从大块石墨合成石墨烯。但是，所有这些方法都需要外部电源进行操作。TENG可以为传感器、药物输送设备和小型电子设备供电，但它还没有被用于为任何一种合成技术供电。因此，利用TENG为电化学剥离供能，可以探索自供电合成技术的新方向。

文章概述

印度海得拉巴理工学院Sushmee Badhulika等人制备了一种废物衍生的绿色TENG，为石墨的电化学剥离提供替代电流，以产生石墨烯。制造的TENG由作为摩擦负电层的废塑料横幅和作为摩擦正电层的铝巧克力包装物组成。所制备的W-TENG实现了分别为35 V、 和0.4µA的开路电压和短路输出。此外，W-TENG的计算功率密度为0.027 W/m²，45 MΩ外部电阻负载。W-TENG被证明可以为石墨烯从石墨薄片上的新型机械电化学剥离提供动力，其中高导电酸性溶液被用作剥离介质。这是首次展示由废弃可回收材料（包括PVC和铝）组成的TENG架构，并将其用于辅助的2D石墨烯自供电合成。该成果以“Recyclable waste derived green triboelectric nanogenerator for Self-Powered synthesis of Defect-Free graphene via Mechano-Electrochemical exfoliation”为题发表于期刊《Chemical Engineering Journal》上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147897

图文导读

图1.（a） W-TENG逐步制备示意图；和（b）石墨烯的机械电化学剥离辅助合成的装置示意图。

图2.（a） SEM图像和（b）巧克力包装物的SEM图像的放大图；（c） SEM图像和（d）废塑料横幅的SEM图像的放大图；（e） 巧克力包装和废塑料横幅的XRD图谱；以及（f）巧克力包装物和废塑料横幅的FTIR光谱。

图3. W-TENG的输出（a）开路电压（Voc）和（b）短路电流（Isc）；W-TENG通过变化的平均电压和电流，（c）有效面积，W-TENG的输出（d）力；PTNG在照明条件下不同负载电阻下的输出（e）平均电压和电流，以及（f）功率密度。

图4. W-TENG在连续按压和释放的各个阶段的工作机制示意图。

图5.（a） 机械电化学剥离实验装置的实物图，包括缝纫机的W-TENG和基于石墨片的电极和酸性电解质的电化学装置；（b） 烧杯的放大图像，其中包含电化学设置；（c） 石墨和石墨烯的XRD图谱；（d） 石墨烯的拉曼光谱（e）石墨烯的SEM图像；（f） 石墨烯的高分辨率SEM图像；和（g）石墨的TEM图像。

图6.（a）单个石墨烯片和（b）堆叠在一起的石墨烯纳米片的TEM图像；（c） 石墨烯纳米片的大面积HRTEM（插入：SAED图案），具有两个激发区和原子间距离。

总结

本文制备了一种基于废物的绿色摩擦纳米发电机（W-TENG），该发电机用于从石墨片合成石墨烯的机械电化学剥离过程的新应用。W-TENG由PVC塑料作为摩擦负层和Al包装作为摩擦正层组成。所制备的W-TENG实现了35 V 的开路电压和 0.4µA的短路电流的输出。此外，W-TENG的功率密度为0.027 W/m²，外部电阻负载为45 MΩ。W-TENG被展示用于一种从石墨片上机械电化学剥离获取石墨烯的应用，其中高导电酸性溶液被用作剥离介质。由于目前在新材料探索领域迫切需要节能合成技术，这项工作为将废弃塑料垃圾重新利用为可行的机械能量采集器提供了一种很有前途的方法，为石墨的机械电化学剥离提供动力。除了石墨烯，还可以通过这里展示的策略合成其他几种2D材料，从而缓解与能源效率低的合成技术相关的挑战。