En las últimas décadas, se ha investigado activamente la captación de energía verde para lograr la neutralidad de carbono. El nanogenerador triboeléctrico (TENG) es un prometedor dispositivo de captación de energía verde que utiliza la energía mecánica de baja frecuencia, residual del movimiento cotidiano, para generar diversos productos. Desde su desarrollo en 2012, el TENG se ha considerado muy útil. Recientemente, un equipo de investigadores trabajó en su concepto anterior con un nuevo enfoque y generó un compuesto rico en azufre, eficiente y sostenible, con MXene.
Objetivo del estudio : Desarrollar nuevos materiales tribológicos para la creación de generadores triboeléctricos de alto rendimiento.
Compuesto rico en azufre eficiente y sostenible con Mxene
Sin embargo, en lo que respecta a los materiales tribológicos de última generación para TENG , más del 50% de las investigaciones actuales han utilizado fluoropolímeros, incluidos el politetrafluoroetileno (PTFE), el etileno propileno fluorado (FEP) y el fluoruro de polivinilideno (PVDF).
Según la tabla periódica, el flúor presenta la mayor afinidad electrónica (1328.2 kJ mol⁻¹) y negatividad electrónica (1). Esto significa que puede atraer electrones de otros materiales con eficacia y generar una alta densidad de carga superficial negativa.
Debido a esto, los fluoropolímeros se han utilizado ampliamente como capas de contacto con carga negativa para la fabricación de TENG. A pesar de sus beneficios para el material, organizaciones nacionales e investigaciones contemporáneas han emitido varias advertencias contra su uso debido a su naturaleza contaminante.
Destacados
- Los nanogeneradores triboeléctricos o TENG utilizan fluoropolímeros como materiales cargables en series triboeléctricas.
- Las sustancias polifluoroalquilo y perfluoroalquilo (PFAS) presentes en los TENG se liberan al medio ambiente durante su ciclo de vida y causan contaminación ambiental.
- El compuesto SRP o polímero rico en azufre/MXene es una alternativa sustentable que ofrece un alto rendimiento.
- El azufre es un residuo abundante del refinado del petróleo y entre los átomos polimerizables tiene la mayor afinidad electrónica, de alrededor de -200 kJ mol−1.
- Se añade menos del 0.5 % de MXene al SRP para lograr una distribución uniforme sin causar percolación eléctrica. Esto produce un aumento de la constante dieléctrica sin un aumento significativo de la pérdida dieléctrica.
- Con una distribución homogénea de MXene, se produce una mejora del TENG en el voltaje pico (aproximadamente un 2.9 %) y la corriente pico (aproximadamente un 19.5 %) en comparación con los TENG basados en SRP anteriores.
- Debido a sus enlaces disulfuro intercambiables dinámicos, también muestra su reutilización sin reducir el módulo y el rendimiento del TEG.
- Al aumentar el tamaño de la oblea a 4 pulgadas, la densidad de potencia máxima en los TENG basados en compuestos SRP/MXene se multiplica por aproximadamente 8.4. Esta densidad alcanza los 3.80 W/m² en comparación con los TENG anteriores basados en SRP.
- Por primera vez, los investigadores también establecieron un sistema de reciclaje de circuito cerrado entre TENG basados en SRP.
Para mitigar los efectos negativos sobre el medio ambiente y la salud humana, es necesario desarrollar polímeros ricos en azufre. Estos se componen principalmente de 7 millones de toneladas de azufre elemental derivado del proceso de hidrodesulfuración del refinado de petróleo.
Durante el proceso, se extrae azufre elemental del gas sulfuro de hidrógeno (H2S), obteniéndose un material excepcionalmente puro en comparación con otros residuos . Con una afinidad electrónica máxima de -200 kJ mol-1 y una afinidad electrónica de -122 kJ mol-1, se convierten en un elemento prometedor para la construcción de TENG de alto rendimiento. Además, el SRP usado puede reutilizarse mediante reprocesamiento térmico sin un deterioro crítico de sus propiedades mecánicas debido a sus enlaces disulfuro dinámicamente intercambiables.
MXene – el nuevo nanomaterial
El MXene pertenece a una nueva familia de nanomateriales bidimensionales . Posee una estructura laminar bidimensional con una elevada relación de aspecto. Presenta conductividad eléctrica metálica (5000-20 000 S cm⁻¹). Además, el MXene cuenta con un núcleo metálico y grupos terminales superficiales basados en óxidos y flúor, lo que le confiere superficies con carga negativa.
Las superficies con carga negativa proporcionan una dispersión estable de las nanohojas de MXene en medios acuosos . Esto resulta ventajoso en aplicaciones medioambientales y procesos de recubrimiento para objetos con topografía 3D variable. Para lograr una dispersión estable en medios acuosos y una buena conductividad eléctrica, el MXene no requiere procesos adicionales de reducción u oxidación.
Mejoras en el rendimiento de salida de TENG con MXene
La conductividad eléctrica y la carga superficial negativa del MXene inducen dipolos microscópicos en la interfaz entre la matriz polimérica y el MXene. Esto aumenta la constante dieléctrica de los nanocompuestos poliméricos. Diversas investigaciones han demostrado que mejorar la constante dieléctrica de los nanocompuestos poliméricos mejora su rendimiento.
Además, el rendimiento del TENG mejoró al ajustar la cantidad de MXene, lo que controló la conectividad de su estructura. De esta manera, la percolación eléctrica tampoco se vio afectada. Asimismo, solo se requirió un 0.4 % en peso de MXene para lograr el máximo rendimiento del TENG.
Además, los investigadores implementaron el proceso de escalado y la descarga de corona. Esto resultó en un aumento de la densidad de potencia máxima de SRP/MXene TENG. Esto les permite alimentar eficientemente dispositivos electrónicos comerciales como condensadores de carga y LED.
Según investigadores de KIST, producción rentable de hidrógeno verde con MXenes activos.
Proceso de generación de nanohojas de Ti3C2Tx MXene
La siguiente figura muestra la síntesis de una solución acuosa de MXene Ti₃C₂Tx para exfoliar el MXene a nivel de una sola capa y luego dispersarlo en agua desmineralizada. Es fácil dispersar de forma estable las nanoláminas de MXene en medios acuosos gracias a la repulsión electrostática entre las nanoláminas de MXene con carga negativa.
La preparación de la matriz SRP incluye la vulcanización inversa de un 75 % en peso de azufre elemental (S) con un 25 % en peso de 1,3-diisopropenilbenceno (DIB) como comonómero . Esto permite obtener fragmentos de SRP solidificados, como se muestra en la imagen inferior. Además, para evitar la recristalización del azufre elemental, los investigadores realizaron un horneado posterior de los fragmentos de SRP durante 10 minutos a 160 °C. Esto facilita las reacciones posteriores de las especies no reaccionadas.
De esta forma, se obtuvieron fragmentos de SRP químicamente estables y se pulverizaron hasta convertirlos en polvo a una temperatura de transición vítrea ( T g) de aproximadamente 17 °C. Los investigadores utilizaron una licuadora comercial y nitrógeno líquido para el proceso. El radio de área proyectada promedio del polvo de SRP, medido a partir de imágenes SEM, es de 18.9 ± 14.4 µm.
Posteriormente, el polvo de SRP se sumergió completamente en una solución acuosa de MXene mediante agitación vigorosa. Posteriormente, los investigadores lo utilizaron para recubrir eficazmente las nanoláminas de MXene mediante autoensamblaje mediante evaporación del medio acuoso al vacío a temperatura ambiente de 25 °C durante 72 horas.
Para crear una película compuesta de SRP/MXene con electrodo integrado de IA, los investigadores colocaron polvo de SRP recubierto de MXene sobre una lámina de IA y lo prensaron en caliente a 140 °C durante 2 minutos . Dado que los enlaces disulfuro en la matriz de SRP pueden intercambiarse dinámicamente a 140 °C, esto les permite formar una película estable cuando entran en contacto físico a lo largo de sus límites.
Así, las capas de MXene están estrechamente rodeadas y sin huecos por una matriz SRP adyacente con enlaces disulfuro recién formados. Esto garantiza la uniformidad y la estabilidad. Para lograr el espesor objetivo de la película compuesta, los investigadores analizaron sistemáticamente el efecto de la temperatura en el espesor de la película.
Pruebas de barrido de deformación
Además, los investigadores deben verificar si las propiedades termomecánicas se mantuvieron durante la pulverización y el paso en caliente. Para ello, se realizaron pruebas de barrido de deformación en las películas compuestas utilizando 0.8 % en peso de MXene (el mayor contenido de MXene). Se realizaron siete pruebas consecutivas de barrido de deformación con pausas de 7 minutos entre ellas.
Para explorar más allá de las regiones viscoelásticas lineales que inducen destrucción estructural, se aplicaron deformaciones de entre el 0.01 % y el 100 % en cada prueba. Esto fue necesario para la recuperación de las propiedades termomecánicas mediante el intercambio dinámico de enlaces.
El módulo de las películas compuestas de SRP/MXene se recuperó con éxito durante estas pausas de 2 minutos. Posteriormente, estas películas compuestas se utilizaron para desarrollar el dispositivo TENG, que puede utilizarse para el contacto y la separación verticales.
El efecto Tyndall del Ti3C2Tx MXene
Los investigadores también confirmaron el efecto Tyndall con una concentración de 0.02 mg mL⁻ irradiada con un láser verde de uso general. El efecto Tyndall se produce por la distribución uniforme de nanoláminas de MXene en una solución acuosa, lo que a su vez provoca dispersión de la luz.
Según una investigación , se puede encontrar más información sobre el almacenamiento de energía a gran escala en cuerdas de nanotubos de carbono que sobre las baterías de litio .
Características de las nanohojas de MXene sintetizadas
La nanohoja sintetizada tiene las siguientes características:
- Conductividad eléctrica – 8,381 ± 319 S cm−1 (medida con una sonda de cuatro puntas)
- Tamaño lateral: 3.0 ± 2.3 µm (medido mediante microscopía electrónica de barrido)
- Altura: menos de 2 nm (medida mediante microscopía de fuerza atómica), lo que indica una alta relación de aspecto de exfoliación a nivel de monocapa.
La siguiente tabla presenta una vista resumida de la composición atómica de MXene a partir de la medición por espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS).
| Porcentaje atómico (%) | |
| C 1 | 22.47 |
| F 1 | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Como se muestra en la siguiente figura, la mayor superficie del polvo SRP se logró mediante una mayor concentración de solución acuosa de MXene. Un bajo contenido de MXene impide la percolación en las películas compuestas, ya que existe una distancia considerable entre las capas de MXene ensambladas.
Un aumento en el contenido de MXene desencadena la percolación reológica, ya que la distancia entre las capas distribuidas de forma irregular disminuye. Durante el prensado en caliente, las cadenas poliméricas con cargas de alta rigidez en la interfaz se alinean parcialmente. Esto da como resultado fracciones amorfas más rígidas.
En esta etapa, es fácil mejorar el módulo elástico de los compuestos SRP/MXene. Además, se puede aumentar la percolación eléctrica para interconectar mediante contacto físico, formando una estructura tridimensional en forma de red en la matriz SRP. Esto da lugar al desarrollo de vías conductoras que se extienden de arriba abajo a través del espesor de las películas compuestas de SRP/MXene.
Distribución uniforme con estructura segregada
- El color oscuro del polvo SRP recubierto de MXene se debe al mayor contenido de MXene.
- Luego, a medida que aumentó el contenido de MXene, hubo un aumento en la intensidad del pico del grupo hidroxilo (OH) (3,430 cm−1), que fue confirmado por espectros infrarrojos de transformada de Fourier (FT-IR).
- Además, no se observó ningún desplazamiento de pico, lo que sugiere claramente interacciones entre el MXene y el SRP. Las imágenes de SEM de corte transversal (sección brillante) muestran el aumento de la conectividad entre las capas del MXene a medida que aumenta su contenido.
- La figura e muestra una correlación lineal entre la fracción en peso de átomos de Ti y el contenido de MXene aplicado. La siguiente figura muestra las estructuras segregadas, la lacunaridad y la dimensión fractal de los estados distribuidos de MXene.
La descripción de la siguiente imagen es la siguiente (orden alfabético):
- Imágenes digitales de polvo de SRP recubierto con MXene (i) y película compuesta de SRP/MXene con contenido variado de MXene (ii)
- Imágenes SEM de secciones transversales de películas SEP/MXene con contenido variable de MXene.
- Imágenes de mapeo atómico EDS de sección transversal con 0.8 % en peso de MXene.
- Las imágenes de mapeo atómico y de sección transversal SEM de alta magnitud muestran películas compuestas con 0.4 % de MXene.
- Fracción de peso del átomo de Ti en la película SRP/MXene como función del contenido de MXene.
- Dimensión fraccional y lacunaridad de la estructura segregada vs contenido (MXene).
- Módulo de almacenamiento en la región de meseta gomosa y tangente máxima de la película compuesta con contenidos variables de MXene.
Propiedades dieléctricas de la película compuesta SRP/MXene
En la siguiente figura, se observan diferentes mecanismos de polarización de películas de SRP puro y películas compuestas de SRP/MXene bajo un campo eléctrico externo. A diferencia de las películas de SRP puro, en este caso las cargas de polarización se acumulan en la interfaz entre el SRP y el MXene.
Se observó una mayor electronegatividad en los grupos terminales de la capa. Esta es mayor que la del azufre y el carbono presentes en la matriz SRP. Debido a esto, la densidad electrónica de la matriz SRP se retira a la superficie de las capas de MXene. Por lo tanto, las películas compuestas pueden generar una mayor carga neta total bajo el campo eléctrico externo gracias a la carga adicional acumulada.
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Rendimiento de salida de películas compuestas SRP/MXene (12.5 cm²)
La siguiente figura muestra el rendimiento de salida basado en películas compuestas de SRP/MXene. Los investigadores miden el voltaje y la corriente pico de los TENG para estudiar sistemáticamente su rendimiento de salida.
Las películas compuestas fabricadas a partir de SRP/MXene aplicado tienen las siguientes características.
- Espesor medio – 150 μm
- Área activa – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm²)
- Frecuencia de contacto y separación – 30 N y 0.65 Hz
- Pero a medida que el contenido de MXene aumenta de 0 a 4 % en peso, hubo un aumento tanto en el voltaje pico de 68.8 ± 4.5 como en el Ipeak de 2.5 ± 161.0 μA a 20.0 ± 8.1 V y 1.0 ± XNUMX μA.
Como era de esperar, el rendimiento de salida triboeléctrica fue alto en el TENG basado en compuestos SRP/MXene con un 0.4 % en peso. Además, un parámetro clave en el rendimiento de salida del TENG fue el espesor de la capa de contacto. Cuando este era inferior al valor optimizado y la superficie cargada estaba demasiado cerca del electrodo de IA, se generaban cargas negativas en las películas compuestas.
Por otro lado, cuando el espesor era superior al óptimo, no se generaba una carga positiva porque el campo eléctrico disminuía con la distancia. Por lo tanto, el espesor óptimo medido fue de aproximadamente 500 μm.
Estabilidad operativa a largo plazo
Mediante pruebas de generación de energía de 24 horas, los investigadores comprobaron la estabilidad operativa a largo plazo de los TENG basados en compuestos SRP/MXene. Se registró una generación de energía estable sin reducciones significativas de Vpeak e Ipeak durante 24 horas.
Además, la distribución uniforme de MXene induce una gran área interfacial entre MXene y SRP, lo que permite obtener rendimientos TENG notables.
Descifrando la sostenibilidad del TENG basado en compuestos MXene/SRP
Los investigadores lo demostraron experimentalmente utilizando un proceso de reciclaje de circuito cerrado completo.
- Primero quitaron el electrodo de lámina de IA adherido físicamente de la película compuesta.
- Luego, la película se pulverizó por debajo de Tg con nitrógeno líquido.
- Luego se secó al vacío para evitar la condensación de humedad.
- Luego lo reprocesaron. compuesto SRP/MXene repulverizado polvo en una película mediante prensado en caliente en las condiciones de preparación iniciales.
- Nuevamente, la película reciclada se utilizó para desarrollar dispositivos TENG.
Características de la película compuesta reciclada MXene/SRP
- Cambios insignificantes en apariencia y color.
- La meseta de caucho se mantuvo constante y no hubo deterioro (después de reciclar la película 4 veces)
- Además, se mantuvieron Vpeak e Ipeak.
Para mejorar el rendimiento de salida: descarga de corona y aumento de escala de MXene/SRP (81.1 cm2)
Tras la descarga de corona, el potencial superficial de las películas compuestas con un 0.4 % en peso mejoró significativamente. Los investigadores inyectaron artificialmente los electrones generados en la superficie de la capa de contacto. La película compuesta SRP/MXene se escaló a obleas de 4 pulgadas para demostrar su potencial en diversas aplicaciones a gran escala.
El TENG ampliado tiene Vpeak (1,717.7 V) e Ipeak (129.0 μA), respectivamente, que son alrededor de ≈3.6, lo que lo hace 4.4 veces más alto que los medidos antes de la descarga de corona.
Los investigadores observaron que, con una resistencia de carga de 8 mΩ, la densidad de potencia máxima alcanzó 3.80 W m⁻². Esto representa un aumento de 2 veces con respecto al valor registrado previamente por TENG basados en la combinación SRP/PPFS. Además, la asistencia de carga requerida se redujo en 8.4 veces con respecto a los registros anteriores.
En comparación con los TENG basados en MXene con modo de contacto vertical y separación previamente reportados, el TENG basado en SRP/MXene mostró un rendimiento de salida superior o comparable, incluyendo densidad de potencia, V pico e I pico, a pesar de utilizar una cantidad significativamente pequeña de MXene (0.4 % en peso). En particular, la densidad por frecuencia del TENG basado en SRP/MXene fue de aproximadamente 5.86 W m−2 Hz−1.
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Informes anteriores sobre la construcción de SRP
2019 – Investigadores introdujeron el concepto de utilizar SRP para construir un TENG de alto rendimiento mediante la fluoración directa de la superficie de la película de SRP.
Desventajas : Este método utiliza gas F2, que es inflamable y altamente tóxico, lo que pone en peligro la seguridad humana y no ofrece sostenibilidad ambiental.
2022 – Se desarrolló una mezcla de polímeros que incorpora poli(pentafluoropoliestireno) no volátil (PPFS) en la matriz SRP para mitigar los riesgos asociados al gas F2. Este TENG basado en SRP de segunda generación también mostró un buen rendimiento en comparación con el de primera generación. Además, demostró una generación de energía estable a largo plazo.
Esta mejora se produjo gracias a un nuevo diseño de procesamiento que permitió que las superficies ricas en PPFS se localizaran a través de la separación de fases durante el procesamiento de la película térmica.
Desventajas : El uso de PPFS está restringido al 7.5 % en peso. Los beneficios de los TENG sostenibles basados en SRP se ven mermados cuando se utiliza PPFS. La contaminación ambiental causada por el PPFS persiste sin que se hayan realizado esfuerzos para demostrar su reutilización. Dado que las partes a base de flúor deben estar en la superficie para que el TENG funcione mejor, esto dificulta su reprocesamiento.
2024 – Sistema compuesto SRP que incorpora una cantidad mínima de Ti3C2Tx MXene como nanofiller para el desarrollo de TENGs sostenibles y de alto rendimiento. Este sistema aborda eficazmente las limitaciones de los TENGs anteriores basados en SRP.
Conclusión
De esta forma, quedó más claro que este enfoque permitió obtener un compuesto rico en azufre eficiente y sostenible con MXene. Demostró una alta densidad de potencia y un reciclaje en circuito cerrado sin comprometer el rendimiento del dispositivo TENG. El TENG se considera respetuoso con el medio ambiente porque utiliza elementos que normalmente se desperdician, como el azufre. Además, estas películas poseen enlaces disulfuro dinámicamente intercambiables, lo que permite su reutilización mediante repulverización y procesamiento térmico . Se espera que este enfoque innovador supere las limitaciones del sistema anterior.
Contenido de origen : Nanogenerador triboeléctrico de alto rendimiento y sostenible basado en un compuesto polimérico rico en azufre con estructura segregada de MXene.
Fuente : Información complementaria
