Коллектив американских исследователей в своей работе исследовал образование разности потенциалов на концах одномерной наноразмерной структуры. Традиционные для этих экспериментов УНТ они заменили на несколькослойный графен, и исследовали зависимость возникающей разности потенциалов от концентрации соляной кислоты и скорости потока раствора.

За последние годы учеными было предсказано, а затем и экперементально обнаружено (на примере УНТ) образование разности потенциалов на концах одномерной наноразмерной структуры при ее помещении под струю полярного растворителя. Тем не менее, ученым не удалось прийти к консенсусу по поводу механизма, приводящего к разделению зарядов, а достигаемая разность потенциалов оказалась недостаточной для практического применения (например, в сенсорике).

Коллектив американских исследователей в своей работе заменил УНТ на несколькослойный графена, и исследовал зависимость возникающей разности потенциалов от концентрации соляной кислоты и скорости потока раствора. Так, при изменении концентрации HCl с 0,3 М до 0,6 М напряжение возрастало с 8 до 30 мВ, однако, при концентрациях свыше 0,6 М напряжение оставалось практически неизменным. Аналогичное насыщение наблюдалось и при увеличении скорости потока раствора при неизменной концентрации HCl.

Рис. 1. а) Схематическое изображение техники эксперимента. ОТ – напорный резервуар, ST – сборный резервуар, TS – измерительная часть, V – управляющий клапан, P – насос, S – образец b) Зависимость разности потенциалов на краях графена от скорости потока раствора.

Для уточнения превалирующего механизма возникновения разности потенциалов авторы статьи прибегли к помощи математического моделирования. Не в даваясь в дебри используемых ими моделей, отметим лишь, что наиболее предпочтительным механизмом является ионный перескок на поверхности графена – при адсорбции/десорбции хлорид-ионов на поверхности графена они, взаимодействуя со свободными носителями заряда в графене, уводят их за собой вдоль направления тока жидкости, что в конечном итоге приводит к возникновению своего рода индуцированной ЭДС. Очевидно, что при введении положительно заряженных ионов (например, Na⁺) направление тока меняется на противоположное (ионы H+ будучи связанными в ионы гидроксония и более крупные молекулярные ионы не адсорбируются на поверхности графена, и поэтому не влияют на величину ЭДС).

Рис. 2. а) Зависимость выделяющейся мощности на нагрузке, соединенной последовательно с графеном, от величины ее сопротивления. b) Зависимость скорости дрейфа хлорид-ионов от скорости потока раствора, полученная теоретически, и согласующаяся с экспериментально наблюдаемым насыщением напряжения при высоких скоростях потока.

Таким образом, графен можно использовать в качестве сенсора, например, при геологоразведке нефтяных скважин, для чего необходимо поместить графеновый сенсор на дно разведочной скважины и подать в нее напор воды.

Результаты исследований опубликованы в статье:

Prashant Dhiman, Fazel Yavari, Xi Mi, Hemtej Gullapalli, Yunfeng Shi, Pulickel M. Ajayan and Nikhil Koratkar Harvesting Energy from Water Flow over Graphene. – DOI: 10.1021/nl2011559; Publication Date (Web): July 12, 2011.