本研究调查了一种石墨烯增强水泥基摩擦纳米发电机 (TENG)，旨在收集基础设施中的机械能，例如行人、车辆、人为振动以及风和地震等自然刺激。水泥基 TENG 的摩擦电层由完全固化的石墨烯改性水泥基板和聚四氟乙烯 (PTFE) 薄膜组成，并在接触-分离模式下进行测试。微观结构分析表明，石墨烯在水泥基体中分散良好，石墨烯-水泥复合材料的抗压强度和抗弯强度分别达到 53.0 和 3.5 MPa。石墨烯-水泥复合材料的电特性，特别是它们的电阻率和阻抗，表明它们没有达到渗透阈值，使其成为理想的介电材料，介电常数在 1 kHz 时为 100。水泥基摩擦纳米发电机 (TENG) 的性能取决于接触-分离循环的幅度和频率。在 10 Hz 频率和 100 N 力的作用下，短路电流和开路电压分别达到 3.62 µA 和 279.4 V 的峰值，使用 100 M© 电阻可实现 95 mW/m2 的最大功率密度。在实际应用中，该 TENG 在一分钟内将 10 ¼F 电容器充电至 3.1 V，在一小时内充电至 57.2 V。此外，手动操作 TENG 可在一分钟内用手压点亮 29 个 LED。通过利用摩擦电效应，该结果为未来智能城市自供电混凝土结构和路面提供了可行性。
图 1. 制备程序和实验装置：（a）石墨烯-水泥复合材料的生产；（b）水泥基TENG的成分、实验配置和最终产品。
图 2.石墨烯-水泥复合材料的物理和机械性能：（a）吸水率；（b）一次和二次吸附率；（c）抗压强度和抗弯强度。
图3. 宏观和微观形貌和阶段：（a）石墨烯的微观结构；（b）石墨烯悬浮液；（c）石墨烯悬浮液的吸光度；（d）水泥基TENG的表面形貌；（e）和（f）石墨烯-水泥复合材料在碳元素上的微观结构和EDX结果；（g）研磨的石墨烯-水泥粉末的XRD结果。
图 4. 石墨烯-水泥复合材料的电学和介电性能：（a）直流固化过程中的电阻率发展；（b）水泥基板的阻抗；（c）水泥基板的电导率；（d）随频率变化的相对介电常数。
图 5. 100 N 力作用下水泥基 TENG 的摩擦电性能：（a）频率从 1 到 10 Hz 变化的短路电流；（b）使用 3 G© 电阻器时频率变化的开路电压；（c）电压与频率；（d）数千次循环后的稳定性；（e）和（f）不同负载电阻值下水泥基 TENG 输出电压、电流和功率密度。
图 6. 力幅对开路电压和短路电流输出的影响：（a）2、5、10、50、100 和 200 N 下的电压输出；（b）200 N 下的短路电流；（c）电压和电流输出与压力的关系。
图7. 水泥基 TENG 的充电性能：(a) 电容器充电电路图；(b) 整流短路电流；(c) 和 (d) 水泥基 TENG 充电的 10、20 和 50 ¼F 电容器的电压和能量曲线。
图 8. 用于能量收集和多功能应用的水泥基 TENG：（a）摩擦电机制；（b）基础设施中存在的机械能；（c）在各种基础设施中的潜在应用。
图 9. 实验室设计的水泥基 TENG：(a) 手动水泥基 TENG 装置；(b) 手动水泥基 TENG 充电的电容器；(c) 手动水泥基 TENG 在低频和高频下的输出电流和整流电流；(d) 充电 10 ¼F 电容器的电压增加；(e) 由水泥基 TENG 点亮的 29 个 LED 显示字母 CEMT 的照片。
图 10. 为土木工程应用而设计的水泥基 TENG：案例 1（用于风能收集的桥梁应用）和案例 2（用于行人和车辆诱导的机械能收集的路面应用）的原理图、实验装置和输出电流和功率。
相关科研成果由新南威尔士大学Wengui Li, Shuhua Peng等人于2024年发表在Nano Energy（https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380）上。
原文：Graphene reinforced cement-based triboelectric nanogenerator for efficient energy harvesting in civil infrastructure
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110380
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