高性能LIG电极的纳米发电机

本工作介绍了用激光诱导石墨烯（LIG）电极替代摩擦纳米发电机（TENG）中的金属电极，提升了 TENG 的性能，并对其原理进行了研究。

为了制备由 PI 和纸介电层组成的传统 TENG 控制样品，将导电铝带（50 μm 厚）作为电极连接到两个单独的载玻片（2 cm × 2 cm × 0.1 cm）上。基于 LIG 电极的 TENG 是通过将PI或纸质LIG薄膜直接附着到两个玻璃基板上而制成的，LIG 表面与玻璃接触，而 PI 和纸质表面彼此相对，因为摩擦分别为负层和正层（见图1h和1i）。激光加工后，可以清楚地观察到原始表面和激光表面之间的明显视觉差异，对应于激光诱导的热解/碳化。对于纸张和 PI 基材，观察到最佳激光照射会导致碳基材料的形成从起始基材中突出（图1c和1d）。事实上，PI-LIG 和纸-LIG 表面的形态都显示出松散堆积的多孔石墨微观结构（图1c和1d）。PI 基底的均匀横截面厚度使得原始 PI 和 PI-LIG 之间的界面清晰可见（图 1c）。根据实验条件，观察到约 30 μm 的 PI 基板被烧蚀并转化为 LIG，而 PI 基板的另一面保持完整，没有可见的损坏，这是由于激光穿透深度和热性能有限。对于纸基材，由于其纤维性质导致横截面和界面测量很困难（图 1d）; 然而，paper-LIG 和 PI-LIG 的表面形貌相似（图 1e和1f）。对于在 PI 基板上直接激光写入的过程。据报道，LIG 薄膜的多孔性质是由于“轰炸”效应而产生的，该效应导致 CO2、H2O、H2和CO以及其他热解气体的释放，导致合成的 LIG 层的高度增加。  Inagaki等人的早期研究支持了这一假设，其中观察到聚酰亚胺碳化的两步过程。第一步发生在 500 到 650 °C 之间，酰亚胺部分的羰基断裂，导致CO和CO2 突然释放，而第二步（发生在 800–1000 °C 范围内），导致 H2、O2 和 N2 的释放，并伴有石墨化。由于激光快速加热，这种热解/碳化过程以非常快的速度进行，这是激光写入过程的一个特征。然而，应该注意的是，对于这两种情况，PI 和纸基材的未暴露面不受激光照射的影响，因此可以直接用作摩擦电接触表面。

图1 (a, b) PI 和纸基材的图示，显示通过激光照射形成 LIG（PI-LIG、纸-LIG）薄膜。  PI-LIG 和 (d, f) paper-LIG 样品相应的横截面和表面形貌 SEM 图像分别显示在 (c, e) 中，(g) PI-LIG和paper-LIG 表面的拉曼光谱，带有关键参数以及 (h, i) 带有铝和LIG电极的 PI-Paper TENG 插图。

为了评估 LIG 作为电荷收集电极的适用性，我们对以下 TENG 配置进行了比较研究：原始 PI（摩擦负性）与带有铝背电极（对照）的原始纸（摩擦正性）以及 PI 与带有LIG电极的纸（见图1（g和h））。具有铝和LIG电极的PI/纸基TENG的电输出性能测量结果如图2所示。可以看出，在压缩力作用下，当纸/PI表面等摩擦起电表面接触时，摩擦起电大小相等且相反 电荷，即 PI 上的负电荷和纸张上的正电荷产生。去除力后，表面上这些相反电荷的存在导致两个金属电极之间形成电势，这可以驱动电子通过外部电路，直到电势差被中和。可以看出，在测量的接触力范围内，基于铝（图 3a）和 LIG（图3）电极的TENG 均表现出电压输出与接触力之间的线性关系。而基于铝电极的 TENG 的峰间电压 Vp-p（图 3a）显示出电压输出的相对较小的增加，范围为约 260 Vp-p（10 N 时） 至约 400 Vp-p（50 N 时），基于 LIG 的 TENG（图 3c）始终表现出较高的值，范围从最小接触力 10 N 时的约 360 Vp-p 到约 635 Vp-p（分别为 50 N）。相应地，基于铝电极的TENG（图3b）只能提供10 mA m-2和85 μC m-2的最大电流密度和转移电荷密度值（50 N。相比之下，基于LIG的TENG表现出更高的短路电流密度和有效电荷密度值，分别约为20 mA m-2和138 μC m-2（图3（d））。根据文献和我们之前的报告，冲击力和冲击频率是控制 TENG 电输出的两个最重要的操作参。对于LIG和基于铝的PI纸TENG，观察到在力范围内电荷密度值和电压/电流峰值的增加，这是由于较高的表面摩擦电荷引起的转移电荷量的增长 密度。产生的摩擦电荷密度随着力的增加而增加，可以归因于机械应力引起的更大接触面积的综合作用，以及局部应力因纸张基材的粗糙度而进一步放大的机械化学现象。

图 2具有（a，b）铝电极和（c，d）LIG 电极的纸/PI TENG 在10至50 N范围内的各种冲击力下的电学测量结果。相应的电荷密度由以下积分获得 当前响应的曲线下面积。PI 纸 LIG TENG 还受到 1 至 9 Hz 不同频率的机械激励，并分别进行相应的 (e) 电压和 (f) 电流密度和电荷密度测量。

为了解基于 LIG 的 TENG 的输出行为，我们研究了材料化学、介电弛豫机制，并使用 KPFM 测量了摩擦电表面的平均表面电势以及 LIG 电极的平均表面电势。KPFM 测量依赖于尖端偏置 VDC 与样品和探针之间的接触电势差 VCPD 的匹配，通过消除探针的振动，探针的振动最初是由 AFM 探针上感应的静电力驱动的。 应该指出的是，映射的表面电势或接触电势差 (VCPD) 的贡献不仅来自功函数的差异，而且还来自未补偿电荷的存在，特别是对于聚合物和非金属样品。原始PI（图3a和b）的平均表面电势测量为±0.26 V，而对于纸质基材（图3e和f），相应的表面电势分布更宽 峰值约为±0.34 V。较高的表面电势意味着电子可以轻松地从表面捐赠，并且表面在接触其他材料后将获得正电荷。 因此，与PI相比，该纸具有摩擦起电正性，因此具有更高的提供电子的能力。 应该指出的是，两个介电表面的表面电势之间的差异并不像其他经典摩擦电系统（例如 PTFE/PA-6 、PEO/PDMS 或最近开发的 AFR/ PTFE ，随后反映在纸/PI TENG 的相对较低的产量中，从而证明需要明智地控制 TENG 设备的材料。 为了进一步确定 LIG 的形成如何改变电极的表面电势，以及这是否对基于LIG的TENG 的后续性能产生影响，我们还测量了论文 LIG 和 PI-LIG的KPFM 响应。

图3 (a, b) 原始 PI 的形貌和表面电位图；(c, d) 由原始 PI 合成的 PI-LIG；(e、f) 原始纤维素纸；  (g、h)分别由用阻燃剂处理的纸合成的paperLIG；

Replacing the metal electrodes in triboelectric nanogenerators: High-performance laser-induced graphene electrodes

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104958