脊髓性肌萎缩|从石墨烯上的水流中获取能量( 三 ) 杂志|基因|脊髓性肌肉萎缩症

在柔性石墨烯片上观察到氯离子的吸附、解吸和跳跃。然而，水合氢离子随水流动而不会吸附或跳跃在石墨烯片上，这是由于它们与石墨烯的相互作用较弱。最有趣的是，我们观察到亚线性跳跃速度是流速的函数，如图3b所示。事实上，随着整体流速的增加，离子跳跃漂移速度饱和，正如在实验中观察到的感应电压饱和（图2b）一样。请注意， MD模型定性地捕获了石墨烯表面上吸附离子的漂移，但不能用作定量测量，因为模拟中涉及的时间和长度尺度与实验非常不同。吸附表面离子的漂移是由于表面层和整体流之间的摩擦引起的粘滑运动。许多此类系统（参考文献3）表现出粘滑运动，例如电荷密度波、磁力线系统或在钉扎电位中移动的原子力显微镜尖端，显示出驱动力与速度对数之间的线性关系。因此，如果在线性标度上绘制速度（如图2b所示），则在高速度下似乎会出现接近饱和的效果。预计这种饱和效应不会随着样品大小或离子含量而改变。根据显示类似饱和效应的MD模拟结果和实验观察，表面离子跳跃似乎是我们系统中负责发电的主要机制。声子拖曳和流动势模型不太可能，因为它们预测感应电压随流速线性增加，而我们观察到非线性响应。来自离子的波动库仑场的自由载流子的直接散射显示为相对较弱的效应。波动不对称电位模型需要调用没有直接证据的脉动不对称棘轮。我们的MD模拟显示了吸附的Cl-离子物理漂移的证据，这使我们得出了我们提出的解释。本质上，流动中的离子在流动方向上的石墨烯片表面上获得一定的净漂移速度。这源于表面离子的连续吸附和解吸（即粘滑）运动。由于片的纳米级厚度，这些表面离子与石墨烯片中的自由电荷载流子耦合。最终结果是自由电荷在流动方向上被拖曳，导致在流动方向上产生感应电流和感应电压。我们使用这个模型来获得对我们的石墨烯薄膜感应电压的大概估计。假设表面离子漂移速度为~0.01 m/sec（饱和点的上限），膜长~30 μm ，石墨烯薄层电阻为~5 kΩ ，电荷为1.6 × 10–19 C ，上限为石墨烯中的电荷载流子密度在~1019 -1020 m-2范围内，感应电压（V = RI ， I = σeLv）等于~2.5-25 mV ，这在我们测量的范围内实验性地。请注意，我们选择HCl是基于这样一个事实，即只有Cl–离子参与表面跳跃，而不是水合氢(H3O+)离子。如果使用NaCl代替，那么吸附在石墨烯上的Na+离子很可能也会被沿流动方向拖动，这将在石墨烯中产生相反方向的电流，从而抵消或减少电流流动，导致来自Cl–离子漂移。相比之下，对于H+这不是问题，因为它们与水分子结合形成稳定的水合氢离子。我们的模拟表明，水合氢离子随水流动而不会吸附或跳跃在石墨烯片上，这是由于它们与石墨烯的相互作用较弱。
石墨烯上的水流发电优于碳纳米管的原因有几个。在大块单壁碳纳米管样品中（如参考文献4），只有三分之一的纳米管是金属的，其余的是半导体的。因此，与石墨烯相比，这种单壁碳纳米管膜的可用电荷载流子密度受到抑制，石墨烯表现为具有极高电子迁移率的半金属。碳纳米管网络中的界面是有损的。这阻碍了跨界面的电子跳跃，并降低了由流体流动引起的电流和电压的幅度。相比之下，石墨烯薄膜是一个连续的薄片，横跨电极之间的整个间隙。薄膜中没有断裂，这完全消除了石墨烯中的所有片对片界面，与碳纳米管网络相比，这使其具有巨大的优势。纳米管束或纳米管绳中的离子传输很复杂，并且存在多种效应，例如入口效应、界面效应、管间跳跃约束等，这可能会限制离子跳跃的有效性。纳米管网络。相比之下，我们测试的石墨烯薄膜是平板，表面离子可以有效地在表面滑动或漂移，从而导致更高的感应电压和电流，从而提高发电性能。
【脊髓性肌萎缩|从石墨烯上的水流中获取能量】本文仅用于学术交流，不得用于商业用途。