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由于水中存在的离子与纳米管中的自由电荷载流子耦合 ， 水流过碳纳米管会在流动方向上产生感应电压 。 然而 ， 感应电压通常在几毫伏的数量级 ， 对于大量发电来说太小了 。 在这里 ， 我们进行了涉及不同摩尔浓度的盐酸(HCl)水流在少层石墨烯上的测试 ， 并报告了与纳米管相比石墨烯的感应电压高出一个数量级 。 对于约30 × 16 μm尺寸的石墨烯薄膜 ， 约0.6 M HCl溶液以约0.01 m/sec的流速流动所产生的功率经测量为约85 nW ， 这相当于每单位面积的功率为约175 W/m2 .分子动力学模拟表明 ， 发电主要是由吸附在连续石墨烯薄膜表面上的Cl-离子的净漂移速度引起的 。
伦斯勒理工学院
在过去十年中 ， 许多理论和实验研究表明 ， 水或其他极性液体在碳纳米管等一维结构上的流动会在纳米管中沿流动方向产生净电位差和相关电流 。 许多机制 ， 例如声子阻力（动量从流动的液体转移到纳米管中的声学声子 ， 这反过来又拖动纳米管中的自由电荷载流子）、表面离子跳跃、自由电荷载流子从波动的直接散射已经提出了流动液体中离子的库仑场、波动的不对称势和流动势模型来解释这种效应 。 然而 ， 碳纳米管实验研究的一个共同观察结果是水流产生的感应电压<10 mV 。 虽然几毫伏的信号对于小型流量传感器类型的应用来说就足够了 ， 但它不足以从流量环境中收集大量能量 。 在这里 ， 我们报告了在几层石墨烯薄膜上的流动传输实验的结果 ， 并观察到与碳纳米管相比 ， 石墨烯的感应电压增加了一个数量级 。 石墨烯器件的电流和功率输出也通过在石墨烯薄膜上连接外部电阻器（负载）来测量 。 使用~30 × 16 μm尺寸的石墨烯薄膜 ， 我们在~0.01 m/sec的流速下产生~85 nW的功率 ， 这转化为~175 W/m2的特定功率输出 。 石墨烯片上Cl-离子漂移速度作为整体流速的函数的分子动力学模拟显示与感应电压响应的实验观察结果定性一致 。 这表明石墨烯中存在的自由电荷与可移动的表面电荷（即吸附离子）的耦合是负责从流动中发电的主要机制 。
石墨烯样品是使用液态前体己烷通过化学气相沉积(CVD)在铜(Cu)箔上合成的 。 生长后 ， 在石墨烯/铜基板上涂上一层薄的聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）薄膜 。 下面的Cu衬底溶解在稀HNO3中 ， 然后将薄膜转移到具有约300 nm厚绝缘SiO2层的Si衬底上 。 使用光刻和电子束蒸发器沉积在转移的石墨烯膜的顶表面上图案化四个电极（Ti/Au ， 3/30 nm） 。 图1a中的光学显微照片显示了石墨烯薄膜 ， 电极沉积在顶面上 。 图1b中的扫描电子显微照片表明 ， 包围在电极图案内的石墨烯薄膜区域约为30 μm × 16 μm 。 使用514 nm波长激发的拉曼光谱给出了石墨烯特征的G波段（~1581 cm-1）和2D波段（2669 cm-1）峰（支持信息图S1） 。 强烈抑制的D带表明通过我们的CVD方法生长的高质量（无缺陷）石墨烯 。 G和2D模式的强度比为~0.5 ， 这表明是几层石墨烯样品 。 石墨烯薄膜的原子力显微镜表征也证实了这一点（支持信息 ， 图S2） 。 使用金线和银环氧树脂（来自EPOXY Technology的EJ-2189两部分套件） ， 图1a中所示的接触垫连接到传统芯片载体的引线 ， 从而可以对石墨烯薄膜进行电气寻址 。 除了石墨烯 ， 还测试了由排列的多壁碳纳米管(MWNT)组成的薄膜 。 MWNT直径约为10 nm ， 长度约为1 mm 。 对齐的MWNT的透射和扫描电子显微镜成像显示在支持信息中（图S3和S4） 。 用于MWNT制造的化学气相沉积方法也在支持信息中进行了描述 。
【脊髓性肌萎缩|从石墨烯上的水流中获取能量】
图1.带有接触电极的Si/SiO2衬底上典型石墨烯薄膜的光学显微照片 。 电极图案内石墨烯薄膜的扫描电子显微照片 ， 显示薄膜横向尺寸约为30 μm × 16 μm 。 电极编号为S1–S4；仅使用两个电极（S2、S4）来测量流动感应电压和电流 。 箭头表示流动方向 。
流量测试设施的示意图如图2a所示 。 闭环系统由一个储存水的高架水箱组成 。 重力迫使水流向隧道的测试部分 。 使用流量控制阀精确控制流体流速 。 测试部分由一个长的空心管组成 ， 其尺寸旨在最大限度地减少安装样品的测试部分中心的湍流和边界层干扰 。 石墨烯薄膜与流动方向平行安装（图2a中的插图） 。 流体被收集在集水槽中 ， 然后泵回塔顶水槽以完成循环 。 所有测试均在室温(~70 °F)下进行 。 使用基于Labview的数据采集系统实时测量感应电压和电流响应 。 测试段中的流速是根据阀门控制的质量流量和测试段的已知横截面积来估计的 。
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