En elektronmikroskopbild visar ett tvärsnitt av en laserinducerad grafen- och polyimidkomposit skapad vid Rice University för användning som en triboelektrisk nanogenerator. Enheterna kan omvandla rörelse till energi som sedan kan lagras för senare användning. Kredit:Tour Group/Rice University
Bärbara enheter som hämtar energi från rörelse är ingen ny idé, men ett material skapat vid Rice University kan göra dem mer praktiska.
Rice lab av kemisten James Tour har anpassat laserinducerad grafen (LIG) till små, metallfria enheter som genererar el. Som att gnugga en ballong på håret, Att sätta LIG-kompositer i kontakt med andra ytor producerar statisk elektricitet som kan användas för att driva enheter.
För det, tack den triboelektriska effekten, genom vilket material samlar in en avgift genom kontakt. När de sätts ihop och sedan dras isär, ytladdningar byggs upp som kan ledas mot kraftproduktion.
I experiment, forskarna kopplade en vikt remsa av LIG till en sträng av lysdioder och fann att knacka på remsan producerade tillräckligt med energi för att få dem att blinka. En större bit LIG inbäddad i en flip-flop låter en bärare generera energi med varje steg, eftersom grafenkompositens upprepade kontakt med huden producerade en ström för att ladda en liten kondensator.
"Detta kan vara ett sätt att ladda små enheter bara genom att använda överskottsenergin från hälslag under gång, eller svängande armrörelser mot bålen, "Sa Tour.
Rice University postdoktorala forskare Michael Stanford håller en flip-flop med en triboelektrisk nanogenerator, baserad på laserinducerad grafen, fäst vid hälen. Att gå med flip-flop genererar elektricitet med upprepad kontakt mellan generatorn och bärarens hud. Stanford kopplade enheten för att lagra energi på en kondensator. Upphovsman:Jeff Fitlow/Rice University
Projektet beskrivs i American Chemical Society -tidskriften ACS Nano .
LIG är ett grafenskum som produceras när kemikalier värms upp på ytan av en polymer eller annat material med en laser, lämnar endast sammankopplade flingor av tvådimensionellt kol. Labbet gjorde först LIG på vanlig polyimid, men utvidgade tekniken till växter, mat, behandlat papper och trä.
Labbet blev polyimid, kork och andra material i LIG -elektroder för att se hur bra de producerade energi och stod upp för slitage. De fick de bästa resultaten från material i motsatta ändar av den triboelektriska serien, som kvantifierar deras förmåga att generera statisk laddning genom kontaktelektrifiering.
I den vikbara konfigurationen, LIG från den tribonegativa polyimiden sprutades med en skyddande beläggning av polyuretan, som också fungerade som ett tribopositivt material. När elektroderna fördes samman, elektroner som överförs till polyimiden från polyuretanen. Efterföljande kontakt och separation drev laddningar som kunde lagras genom en extern krets för att balansera den uppbyggda statiska laddningen. Den vikta LIG genererade cirka 1 kilovolt, och förblev stabil efter 5, 000 böjningscykler.
Den bästa konfigurationen, med elektroder av polyimid-LIG-komposit och aluminium, producerade spänningar över 3,5 kilovolt med en toppeffekt på mer än 8 milliwatt.
"Nanogeneratorn inbäddad i en flip-flop kunde lagra 0,22 millijoule elektrisk energi på en kondensator efter en 1 kilometer promenad, " sa Rice postdoktorala forskare Michael Stanford, huvudförfattare till tidningen. "Denna hastighet av energilagring är tillräcklig för att driva bärbara sensorer och elektronik med mänsklig rörelse."
