注册 English

石墨烯在自供能传感系统中的应用

胡聪 ,  胡俊斌 ,  刘梦然 ,  周玉成 ,  戎家胜 ,  周建新

downloadPDF
引用本文: 胡聪, 胡俊斌, 刘梦然, 周玉成, 戎家胜, 周建新. 石墨烯在自供能传感系统中的应用[J]. 物理化学学报, 2022, 38(1): 201208. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012083 shu
Citation:  Cong Hu, Junbin Hu, Mengran Liu, Yucheng Zhou, Jiasheng Rong, Jianxin Zhou. Applications of Graphene in Self-Powered Sensing Systems[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2022, 38(1): 201208. doi: 10.3866/PKU.WHXB202012083 shu

石墨烯在自供能传感系统中的应用

  • 南京航空航天大学纳米科学研究所，机械结构力学及控制国家重点实验室，纳智能材料器件教育部重点实验室，南京 210016

    • 作者简介:




    周建新，1981年出生。2007年获得南京大学博士，现为南京航空航天大学副研究员。主要研究方向：二维原子晶体材料与器件、纳智能材料器件;
    通讯作者: 周建新, zhoujx@nuaa.edu.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划项目 2019YFA0705400

    国家自然科学基金项目 12072151

    国家自然科学基金项目 51535005

    中央高校基本科研业务费项目 NJ2020003

    中央高校基本科研业务费项目 NZ2020001

    江苏高校优势学科建设工程项目 

摘要: 随着现代社会智能化的加速发展，传感系统中传感器的数量、密度和分布范围不断增加，传统的供能方式难以满足如此复杂多变的传感器供能需求，从周围环境中收集能量并转化为电能的自供能传感器件是解决这一难题的有效途径。石墨烯不仅具有优异的传感性能，而且在各种能源器件中有广泛的应用，这为基于石墨烯的自供能传感器件设计提供了便利。近年来，人们已经研究和发展了多种多样的石墨烯自供能传感器件。本文基于自供能器件的基本能量供给原理，包括电化学供能、光伏供能、摩擦电供能、水伏供能以及热电、压电、热释电等其它供能，分别介绍了石墨烯在自供能传感器件中的应用，并展望了基于石墨烯的自供能传感器件的未来发展、挑战和前景。

English

    1. [1]

      Lipomi, D. J.; Vosgueritchian, M.; Tee, B. C. K.; Hellstrom, S. L.; Lee, J. A.; Fox, C. H.; Bao, Z. N. Nat. Nanotechnol. 2011, 6 (12), 788. doi: 10.1038/Nnano.2011.184

    2. [2]

      Xu, J.; Wang, S. H.; Wang, G. J. N.; Zhu, C. X.; Luo, S. C.; Jin, L. H.; Gu, X. D.; Chen, S. C.; Feig, V. R.; To, J. W. F.; et al. Science 2017, 355 (6320), 59. doi: 10.1126/science.aah4496

    3. [3]

      Geim, A. K.; Novoselov, K. S. Nat. Mater. 2007, 6 (3), 183. doi: 10.1038/nmat1849

    4. [4]

      Bolotin, K. I.; Sikes, K. J.; Jiang, Z.; Klima, M.; Fudenberg, G.; Hone, J.; Kim, P.; Stormer, H. L. Solid State Commun. 2008, 146 (9-10), 351. doi: 10.1016/j.ssc.2008.02.024

    5. [5]

      Balandin, A. A. Nat. Mater. 2011, 10 (8), 569. doi: 10.1038/nmat3064

    6. [6]

      Nair, R. R.; Blake, P.; Grigorenko, A. N.; Novoselov, K. S.; Booth, T. J.; Stauber, T.; Peres, N. M.; Geim, A. K. Science 2008, 320 (5881), 1308. doi: 10.1126/science.1156965

    7. [7]

      Castro Neto, A. H.; Guinea, F.; Peres, N. M. R.; Novoselov, K. S.; Geim, A. K. Rev. Mod. Phys. 2009, 81 (1), 109. doi: 10.1103/RevModPhys.81.109

    8. [8]

      Yu, X.; Cheng, H.; Zhang, M.; Zhao, Y.; Qu, L.; Shi, G. Nat. Rev. Mater. 2017, 2, 17046. doi: 10.1038/natrevmats.2017.46

    9. [9]

      Yin, J.; Li, X.; Yu, J.; Zhang, Z.; Zhou, J.; Guo, W. Nat. Nanotechnol. 2014, 9 (5), 378. doi: 10.1038/nnano.2014.56

    10. [10]

      Zhang, X. M.; Yang, X. L.; Wang, K. Y. J. Mater. Sci. -Mater. Electron. 2019, 30 (21), 19319. doi: 10.1007/s10854-019-02292-y

    11. [11]

      Li, X.; Hua, T.; Xu, B. Carbon 2017, 118, 686. doi: 10.1016/j.carbon.2017.04.002

    12. [12]

      Boland, C. S.; Khan, U.; Ryan, G.; Barwich, S.; Charifou, R.; Harvey, A.; Backes, C.; Li, Z.; Ferreira, M. S.; Mobius, M. E.; et al. Science 2016, 354 (6317), 1257. doi: 10.1126/science.aag2879

    13. [13]

      Liu, H.; Li, Y.; Dai, K.; Zheng, G.; Liu, C.; Shen, C.; Yan, X.; Guo, J.; Guo, Z. J. Mater. Chem. C 2016, 4 (1), 157. doi: 10.1039/c5tc02751a

    14. [14]

      Qiao, H.; Huang, Z.; Ren, X.; Liu, S.; Zhang, Y.; Qi, X.; Zhang, H. Adv. Opt. Mater. 2019, 8 (1), 1900765. doi: 10.1002/adom.201900765

    15. [15]

      Ye, M.; Zhang, Z.; Zhao, Y.; Qu, L. Joule 2018, 2 (2), 245. doi: 10.1016/j.joule.2017.11.011

    16. [16]

      Wu, Y.; Luo, Y.; Qu, J.; Daoud, W. A.; Qi, T. Nano Energy 2019, 64, 103948. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.103948

    17. [17]

      Yang, S.; Su, Y.; Xu, Y.; Wu, Q.; Zhang, Y.; Raschke, M. B.; Ren, M.; Chen, Y.; Wang, J.; Guo, W.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140 (42), 13746. doi: 10.1021/jacs.8b07778

    18. [18]

      Yin, J.; Zhang, Z.; Li, X.; Yu, J.; Zhou, J.; Chen, Y.; Guo, W. Nat. Commun. 2014, 5, 3582. doi: 10.1038/ncomms4582

    19. [19]

      Xue, G.; Xu, Y.; Ding, T.; Li, J.; Yin, J.; Fei, W.; Cao, Y.; Yu, J.; Yuan, L.; Gong, L.; et al. Nat. Nanotechnol. 2017, 12 (4), 317. doi: 10.1038/nnano.2016.300

    20. [20]

      Chun, S.; Son, W.; Lee, G.; Kim, S. H.; Park, J. W.; Kim, S. J.; Pang, C.; Choi, C. ACS Appl. Mater. Interfaces 2019, 11 (9), 9301. doi: 10.1021/acsami.8b20143

    21. [21]

      Wang, X.; Gao, J.; Cheng, Z.; Chen, N.; Qu, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55 (47), 14643. doi: 10.1002/anie.201608163

    22. [22]

      Wang, Y. M.; Wang, Y.; Yang, Y. Adv. Energy Mater. 2018, 8 (22), 1800961. doi: 10.1002/aenm.201800961

    23. [23]

      Chong, W. G.; Huang, J. Q.; Xu, Z. L.; Qin, X.; Wang, X.; Kim, J. -K. Adv. Funct. Mater. 2017, 27 (4), 1604815. doi: 10.1002/adfm.201604815

    24. [24]

      Ye, M.; Cheng, H.; Gao, J.; Li, C.; Qu, L. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (48), 19154. doi: 10.1039/c6ta08569e

    25. [25]

      Periyanagounder, D.; Gnanasekar, P.; Varadhan, P.; He, J. H.; Kulandaivel, J. J. Mater. Chem. C 2018, 6 (35), 9545. doi: 10.1039/c8tc02786b

    26. [26]

      Xiang, D.; Han, C.; Hu, Z.; Lei, B.; Liu, Y.; Wang, L.; Hu, W. P.; Chen, W. Small 2015, 11 (37), 4829. doi: 10.1002/smll.201501298

    27. [27]

      Chaliyawala, H.; Aggarwal, N.; Purohit, Z.; Patel, R.; Gupta, G.; Jaffre, A.; Le Gall, S.; Ray, A.; Mukhopadhyay, I. Nanotechnology 2020, 31 (22), 225208. doi: 10.1088/1361-6528/ab767f

    28. [28]

      Zeng, L.; Xie, C.; Tao, L.; Long, H.; Tang, C.; Tsang, Y. H.; Jie, J. Opt. Express 2015, 23 (4), 4839. doi: 10.1364/OE.23.004839

    29. [29]

      Wu, Y.; Yan, X.; Zhang, X.; Ren, X. Appl. Phys. Lett. 2016, 109, 183101. doi: 10.1063/1.4966899

    30. [30]

      Lu, Y.; Feng, S.; Wu, Z.; Gao, Y.; Yang, J.; Zhang, Y.; Hao, Z.; Li, J.; Li, E.; Chen, H.; et al. Nano Energy 2018, 47, 140. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.02.056

    31. [31]

      Wu, J.; Yang, Z.; Qiu, C.; Zhang, Y.; Wu, Z.; Yang, J.; Lu, Y.; Li, J.; Yang, D.; Hao, R.; et al. Nanoscale 2018, 10 (17), 8023. doi: 10.1039/c8nr00594j

    32. [32]

      Li, H.; Li, X.; Park, J. H.; Tao, L.; Kim, K. K.; Lee, Y. H.; Xu, J. -B. Nano Energy 2019, 57, 214. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.12.004

    33. [33]

      Chen, Z.; Zhang, Z.; Biscaras, J.; Shukla, A. J. Mater. Chem. C 2018, 6 (45), 12407. doi: 10.1039/c8tc04378g

    34. [34]

      Lv, Q.; Yan, F.; Wei, X.; Wang, K. Adv. Opt. Mater. 2018, 6 (2), 1700490. doi: 10.1002/adom.201700490

    35. [35]

      Lee, D.; Park, H.; Han, S. D.; Kim, S. H.; Huh, W.; Lee, J. Y.; Kim, Y. S.; Park, M. J.; Park, W. I.; Kang, C. Y.; et al. Small 2019, 15 (2), e1804303. doi: 10.1002/smll.201804303

    36. [36]

      Moon, I. K.; Ki, B.; Yoon, S.; Choi, J.; Oh, J. Sci. Rep. 2016, 6, 33525. doi: 10.1038/srep33525

    37. [37]

      Yang, J.; Liu, P.; Wei, X.; Luo, W.; Yang, J.; Jiang, H.; Wei, D.; Shi, R.; Shi, H. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (41), 36017. doi: 10.1021/acsami.7b10373

    38. [38]

      Liu, Z. X.; Zhao, Z. Z.; Zeng, X. W.; Fu, X. L.; Hu, Y. F. J. Phys. D Appl. Phys. 2019, 52, 314002. doi: 10.1088/1361-6463/ab1faa

    39. [39]

      Xu, Z. W.; Wu, C. X.; Li, F. S.; Chen, W.; Guo, T. L.; Kim, T. W. Nano Energy 2018, 49, 274. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.04.059

    40. [40]

      Zhao, X.; Chen, B.; Wei, G.; Wu, J. M.; Han, W.; Yang, Y. Adv. Mater. Technol. 2019, 4 (5), 1800723. doi: 10.1002/admt.201800723

    41. [41]

      Chun, S.; Son, W.; Kim, H.; Lim, S. K.; Pang, C.; Choi, C. Nano Lett. 2019, 19 (5), 3305. doi: 10.1021/acs.nanolett.9b00922

    42. [42]

      Zhang, D.; Xu, Z.; Yang, Z.; Song, X. Nano Energy 2020, 67, 104251. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104251

    43. [43]

      Su, Y.; Xie, G.; Tai, H.; Li, S.; Yang, B.; Wang, S.; Zhang, Q.; Du, H.; Zhang, H.; Du, X.; et al. Nano Energy 2018, 47, 316. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.02.031

    44. [44]

      Kwak, S. S.; Lin, S.; Lee, J. H.; Ryu, H.; Kim, T. Y.; Zhong, H.; Chen, H.; Kim, S. W. ACS Nano 2016, 10 (8), 7297. doi: 10.1021/acsnano.6b03032

    45. [45]

      Zhao, F.; Cheng, H.; Zhang, Z.; Jiang, L.; Qu, L. Adv. Mater. 2015, 27 (29), 4351. doi: 10.1002/adma.201501867

    46. [46]

      Zhao, F.; Liang, Y.; Cheng, H.; Jiang, L.; Qu, L. Energ. Environ. Sci. 2016, 9 (3), 912. doi: 10.1039/c5ee03701h

    47. [47]

      Liang, Y.; Zhao, F.; Cheng, Z.; Deng, Y.; Xiao, Y.; Cheng, H.; Zhang, P.; Huang, Y.; Shao, H.; Qu, L. Energy Environ. Sci. 2018, 11 (7), 1730. doi: 10.1039/c8ee00671g

    48. [48]

      Zhang, D.; Zhang, K.; Wang, Y.; Wang, Y.; Yang, Y. Nano Energy 2019, 56, 25. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.11.026

    49. [49]

      Xie, Y.; Chou, T. M.; Yang, W.; He, M.; Zhao, Y.; Li, N.; Lin, Z. H. Semicond. Sci. Technol. 2017, 32 (4), 044003. doi: 10.1088/1361-6641/aa62f2

    50. [50]

      Liu, Y.; Hu, Y.; Zhao, J.; Wu, G.; Tao, X.; Chen, W. Small 2016, 12 (36), 5074. doi: 10.1002/smll.201600553

    51. [51]

      Zhang, F.; Zhang, T. F.; Yang, X.; Zhang, L.; Leng, K.; Huang, Y.; Chen, Y. S. Energ. Environ. Sci. 2013, 6 (5), 1623. doi: 10.1039/c3ee40509e

    52. [52]

      Song, Z. M.; Ma, T.; Tang, R.; Cheng, Q.; Wang, X.; Krishnaraju, D.; Panat, R.; Chan, C. K.; Yu, H. Y.; Jiang, H. Q. Nat. Commun. 2014, 5, 3140. doi: 10.1038/ncomms4140

    53. [53]

      Wang, L.; Zhang, Y.; Pan, J.; Peng, H. S. J. Mater. Chem. A 2016, 4 (35), 13419. doi: 10.1039/c6ta05800k

    54. [54]

      Lv, Z. S.; Tang, Y. X.; Zhu, Z. Q.; Wei, J. Q.; Li, W. L.; Xia, H. R.; Jiang, Y.; Liu, Z. Y.; Luo, Y. F.; Ge, X.; et al. Adv. Mater. 2018, 30 (50), 1805468. doi: 10.1002/adma.201805468

    55. [55]

      Mackanic, D. G.; Chang, T. H.; Huang, Z.; Cui, Y.; Bao, Z. Chem. Soc. Rev. 2020, 49 (13), 4466. doi: 10.1039/d0cs00035c

    56. [56]

      Wang, B.; Ruan, T.; Chen, Y.; Jin, F.; Peng, L.; Zhou, Y.; Wang, D.; Dou, S. Energy Storage Mater. 2020, 24, 22. doi: 10.1016/j.ensm.2019.08.004

    57. [57]

      Zhang, P.; Zhu, F.; Wang, F.; Wang, J.; Dong, R.; Zhuang, X.; Schmidt, O. G.; Feng, X. Adv. Mater. 2017, 29 (7), 1604491. doi: 10.1002/adma.201604491

    58. [58]

      Qiao, H.; Huang, Z.; Ren, X.; Liu, S.; Zhang, Y.; Qi, X.; Zhang, H. Adv. Opt. Mater. 2019, 8 (1), 1900765. doi: 10.1002/adom.201900765

    59. [59]

      Tao, Z.; Zhou, D.; Yin, H.; Cai, B.; Huo, T.; Ma, J.; Di, Z.; Hu, N.; Yang, Z.; Su, Y. Mat. Sci. Semicond. Process 2020, 111, 104989. doi: 10.1016/j.mssp.2020.104989

    60. [60]

      Li, J.; Yuan, S.; Tang, G.; Li, G.; Liu, D.; Li, J.; Hu, X.; Liu, Y.; Li, J.; Yang, Z.; et al. ACS Appl. Mater. Interfaces 2017, 9 (49), 42779. doi: 10.1021/acsami.7b14110

    61. [61]

      Huang, C. Y.; Kang, C. C.; Ma, Y. C.; Chou, Y. C.; Ye, J. H.; Huang, R. T.; Siao, C. Z.; Lin, Y. C.; Chang, Y. H.; Shen, J. L.; et al. Nanotechnology 2018, 29 (44), 445201. doi: 10.1088/1361-6528/aadad8

    62. [62]

      Li, Z.; Zheng, Q.; Wang, Z. L.; Li, Z. Research 2020, 2020, 8710686. doi: 10.34133/2020/8710686

    63. [63]

      Fan, F. -R.; Tian, Z. Q.; Lin Wang, Z. Nano Energy 2012, 1 (2), 328. doi: 10.1016/j.nanoen.2012.01.004

    64. [64]

      Chang, J.; Meng, H.; Li, C.; Gao, J.; Chen, S.; Hu, Q.; Li, H.; Feng, L. Adv. Mater. Technol. 2020, 5 (5), 1901087. doi: 10.1002/admt.201901087

    65. [65]

      Sun, C. H.; Shi, Q. F.; Hasan, D.; Yazici, M. S.; Zhu, M. L.; Ma, Y. M.; Dong, B. W.; Liu, Y. F.; Lee, C. Nano Energy 2019, 58, 612. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.01.096

    66. [66]

      Jiang, C.; Li, X.; Yao, Y.; Lan, L.; Shao, Y.; Zhao, F.; Ying, Y.; Ping, J. Nano Energy 2019, 66, 104121. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.104121

    67. [67]

      Lee, C.; Wei, X.; Kysar, J. W.; Hone, J. Science 2008, 321 (5887), 385. doi: 10.1126/science.1157996

    68. [68]

      Stanford, M. G.; Li, J. T.; Chyan, Y.; Wang, Z.; Wang, W.; Tour, J. M. ACS Nano 2019, 13 (6), 7166. doi: 10.1021/acsnano.9b02596

    69. [69]

      Parandeh, S.; Kharaziha, M.; Karimzadeh, F. Nano Energy 2019, 59, 412. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.02.058

    70. [70]

      Guo, H.; Li, T.; Cao, X.; Xiong, J.; Jie, Y.; Willander, M.; Cao, X.; Wang, N.; Wang, Z. L. ACS Nano 2017, 11 (1), 856. doi: 10.1021/acsnano.6b07389

    71. [71]

      Chu, H.; Jang, H.; Lee, Y.; Chae, Y.; Ahn, J. H. Nano Energy 2016, 27, 298. doi: 10.1016/j.nanoen.2016.07.009

    72. [72]

      Lee, Y.; Kim, J.; Jang, B.; Kim, S.; Sharma, B. K.; Kim, J. H.; Ahn, J. H. Nano Energy 2019, 62, 259. doi: 10.1016/j.nanoen.2019.05.039

    73. [73]

      Zhou, K. K.; Zhao, Y.; Sun, X. P.; Yuan, Z. Q.; Zheng, G. Q.; Dai, K.; Mi, L. W.; Pan, C. F.; Liu, C. T.; Shen, C. Y. Nano Energy 2020, 70, 104546. doi: 10.1016/j.nanoen.2020.104546

    74. [74]

      Zhang, Z.; Li, X.; Yin, J.; Xu, Y.; Fei, W.; Xue, M.; Wang, Q.; Zhou, J.; Guo, W. Nat. Nanotechnol. 2018, 13 (12), 1109. doi: 10.1038/s41565-018-0228-6

    75. [75]

      Yin, J.; Zhou, J.; Fang, S.; Guo, W. Joule 2020, 4 (9), 1852. doi: 10.1016/j.joule.2020.07.015

    76. [76]

      Zhong, H.; Xia, J.; Wang, F.; Chen, H.; Wu, H.; Lin, S. Adv. Funct. Mater. 2017, 27 (5), 1604226. doi: 10.1002/adfm.201604226

    77. [77]

      Yu, X.; Yin, H.; Li, H.; Zhao, H.; Li, C.; Zhu, M. J. Mater. Chem. C 2018, 6 (3), 630. doi: 10.1039/c7tc05224c

    78. [78]

      Roy, K.; Ghosh, S. K.; Sultana, A.; Garain, S.; Xie, M. Y.; Bowen, C. R.; Henkel, K.; Schmeisser, D.; Mandal, D. ACS Appl. Nano Mater. 2019, 2 (4), 2013. doi: 10.1021/acsanm.9b00033

    79. [79]

      Sahatiya, P.; Shinde, A.; Badhulika, S. Nanotechnology 2018, 29 (32), 325205. doi: 10.1088/1361-6528/aac65b

  • 加载中
WeChat 扫一扫看文章
计量
  • PDF下载量:  19
  • 文章访问数:  2159
  • HTML全文浏览量:  455
文章相关
  • 发布日期:  2022-01-15
  • 收稿日期:  2020-12-30
  • 接受日期:  2021-01-22
  • 修回日期:  2021-01-19
  • 网络出版日期:  2021-02-01
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章

All Rights Reserved by the Chinese Chemical Society   中国化学会 版权所有 京ICP备05002797号

本系统由北京仁和汇智信息技术有限公司开发    技术支持: info@rhhz.net