成果简介
本文，泰国孔敬大学《 Journal of Materials Science》期刊发表名为“Development of functional construction materials from cement–reduced graphene oxide composite capable of generating electricity with improved mechanical strength”的论文，研究从水泥材料中开发了一种功能性建筑材料，可以将周围环境中的机械能转化为电能。一种称为“摩擦纳米发电机 （TENG）”的能量收集装置由水泥还原的氧化石墨烯 （rGO） 复合材料制成，可将机械能转化为电能。发现 rGO 掺入水泥可以通过空间电荷极化增强 TENG 的电输出，从而导致摩擦电荷密度增加。水泥-rGO 复合 TENG 实现的最大功率密度为 1.72 W/m2，是未改性水泥 TENG 的六倍。此外，rGO将水泥复合材料的抗压强度提高了 50%。这种增强归因于rGO的大比表面积，它会产生成核位点，导致水泥水化产物的结晶增加。这项工作的结果突出了开发具有更高机械强度的智能能源建筑的功能性建筑材料的前景。
图文导读
图1、a-b） OPC和 OPC-rGO@0.08 内部微观结构的 SEM 图像，插图为 rGO 片材的TEM图像。c ）OPC-rGO@0.08 表面形态的SEM图像。d OPC 和OPC-rGO TENG的数码照片。
图2、a ）rGO、OPC 和 rGO 含量分别为 0.04%、0.08% 和 0.12% 的 OPC-rGO 的 XRD 图谱。b ）不同 rGO 含量下 OPC-rGO 的 28 天抗压强度。
图3、a） 介电常数（εr）和 b ）介电损耗（tan δ），rGO 含量为 0.04 -0.12% 时的 OPC 和 OPC-rGO 复合材料。
图4、a/b）rGO含量为0 – 0.12%时OPC-rGO TENG的输出电压和电流。c） rGO 含量为0 – 0.12% 时 OPC-rGO 复合材料的输出电压、介电常数和介电损耗图。
图5、a） 1 至 10 Hz 不同工作频率下输出电压的变化。b ）TENG 电压输出的冲击力依赖性。c ）OPC-rGO@0.08 TENG 在 0.01–100 MΩ 负载电阻下的输出电压和电流。d ）OPC-rGO@0.08 TENG 与 OPC TENG 的功率密度比较。e） TENG 的输出电流经过 10000 次循环测试。
图6、演示 OPC-rGO TENG装置为便携式计算器供电，检测不同尺寸和形状试样的接触位置
小结
在水泥中加入 rGO 能够提高 TENG 的电输出。这种增强归因于 rGO 良好的导电性和较大的比表面积提高了水泥三电材料的电荷电容特性。这些特性产生了界面极化，增加了水泥水化产物的结晶，有助于提高水泥复合材料的介电常数。OPC-rGO@0.08 TENG 的最大功率密度为 1.72 W/m2，是未改性 OPC TENG 的六倍。此外，OPC-rGO@0.08 复合材料的抗压强度也提高了 47.5%，这归功于复合材料结晶的增强。加入一小部分 rGO 后，水泥复合材料的 TENG 性能和机械强度都有了显著提高。这使得水泥-rGO复合材料成为制造 TENG 以大规模收集机械能的重要候选材料。
文献：https://doi.org/10.1007/s10853-024-10165-x
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