Vihreän energian korjuuta on tutkittu aktiivisesti viime vuosikymmeninä hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Tribosähköinen nanogeneraattori tai TENG on lupaava vihreän energian harvesteri, joka käyttää tavallisesta liikkeestä tuhlattua matalataajuista mekaanista energiaa monien asioiden tuottamiseen. Vuonna 2012 tapahtuneen kehittämisen jälkeen TENG:tä on pidetty erittäin hyödyllisenä. Hiljattain tutkijaryhmä työskenteli aiemman konseptinsa parissa uudella lähestymistavalla ja loi tehokkaan ja kestävän rikkipitoisen komposiitin MXenen kanssa.
Tutkimuksen tavoite – Kehittää uusia tribo-materiaaleja korkean suorituskyvyn TENG:ien luomiseen.
Tehokas ja kestävä rikkirikas komposiitti, jossa on Mxene
Kuitenkin, mitä tulee tekniikan tasoon tribo-materiaalit TENG:illeYli 50 % nykyisestä tutkimuksesta on käyttänyt fluoripolymeerejä, mukaan lukien polytetrafluorieteeni (PTFE), fluorattu eteenipropeeni (FEP) ja polyvinylideenifluoridi (PVDF).
Jaksollisen taulukon mukaan fluorilla on suurin elektroniaffiniteetti (1328.2 kJ mol-1) ja elektroninegatiivisuus (4.0). Tämä tarkoittaa, että ne voivat tehokkaasti poistaa elektroneja muista materiaaleista ja tuottaa korkean negatiivisen pintavarauksen tiheyden.
Tästä johtuen fluoripolymeerejä on käytetty laajalti negatiivisesti varautuvina kontaktikerroksina TENG:iden valmistuksessa. Huolimatta siitä, että ne ovat hyödyllisiä materiaalille, kansalliset organisaatiot ja nykyaikainen tutkimus ovat antaneet useita varoituksia fluoripolymeerien käytöstä niiden saastuttavan luonteen vuoksi.
Poimintoja
- Tribosähköiset nanogeneraattorit tai TENG:t käyttävät fluoripolymeerejä ladattavina materiaaleina tribosähköisissä sarjoissa.
- TENG:issä olevat poly- ja perfluoroalkyyliaineet (PFAS) vapautuvat ympäristöön niiden elinkaaren aikana ja aiheuttavat ympäristön saastumista.
- SRP tai rikkirikas polymeeri/MXene-komposiitti on kestävä vaihtoehto, joka tarjoaa korkean suorituskyvyn.
- Rikki on runsaasti bensiinin jalostuksen jätettä ja polymeroituvien atomien joukossa on korkein elektroniaffiniteetti, noin −200 kJ mol-1.
- SRP:hen on lisätty alle 0.5 % MXeneä tasaisen jakautumisen takaamiseksi aiheuttamatta sähköistä perkolaatiota. Tämä johtaa dielektrisyysvakion kasvuun ilman, että dielektrinen häviö lisääntyy paljon.
- Homogeenisella MXene-jakaumalla TENG-parannus huippujännitteessä (noin 2.9 %) ja huippuvirrassa (noin 19.5 %) verrattuna aikaisempiin SRP-pohjaisiin TENG-malleihin.
- Dynaamisten vaihdettavien disulfidisidostensa ansiosta se osoittaa myös uudelleenkäytettävyyden alentamatta moduulia ja TEG-suorituskykyä.
- Kun kiekon koko on kasvatettu 4 tuumaan, huipputehotiheys kasvaa noin 8.4 kertaa SRP/MXene-komposiittipohjaisessa TENG:ssä. Tämä saavuttaa 3.80 W/m² verrattuna aiempiin SRP-pohjaisiin TENG:ihin.
- Ensimmäistä kertaa tutkijat loivat myös suljetun kierron kierrätysjärjestelmän SRP-pohjaisten TENG-laitteiden joukkoon.
Rikkipitoisia polymeerejä on kehitettävä ympäristöön ja ihmisten terveyteen kohdistuvien haittojen lieventämiseksi. Ne koostuvat pääasiassa 7 miljoonasta tonnista alkuaine rikki johdettu bensiinin jalostuksen vetyrikinpoistoprosessista.
Prosessin aikana alkuainerikkiä uutetaan rikkivetykaasusta (H2S) ja tuloksena on poikkeuksellisen puhdas kuin muut jätteet. Sen korkein elektroniaffiniteetti on -200 kJ mol-1 ja elektroniaffiniteetti -122 kJ mol -1, niistä tulee lupaava elementti korkean suorituskyvyn TENG:n rakentamisessa. Lisäksi loppukäytetty SRP voidaan käyttää uudelleen lämpökäsittelyllä ilman niiden mekaanisten ominaisuuksien kriittistä heikkenemistä niiden vuoksi. dynaamisesti vaihdettavat disulfidisidokset.
MXene – uusi nanomateriaali
MXene on uudesta perheestä 2D nanomateriaalit. Sillä on 2D arkkimainen rakenne korkealla kuvasuhteella. Sillä on metallisen sähkönjohtavuus (5000-20,000 S cm-1). MXenessä on myös metallisydän sekä oksidi- ja fluoripohjaiset pääteryhmät, jotka antavat sille negatiivisesti varautuneita pintoja.
Negatiivisesti varautuneet pinnat tarjoavat vakaan hajoamisen MXene-nanolevyt vesipitoisissa väliaineissa. Tämä osoittautuu lisäksi hyödylliseksi ympäristösovelluksissa ja pinnoitusprosesseissa kohteissa, joiden 3D-topografia vaihtelee. Jotta saavutetaan vakaa dispersio vesiväliaineessa ja sähkönjohtavuus, MXene ei vaadi lisäpelkistys tai hapetus prosesseissa.
TENG-lähdön suorituskyvyn parannukset MXene:llä
MXenen sähkönjohtavuus ja negatiivinen pintavaraus ovat vastuussa mikroskooppisten dipolien indusoimisesta polymeerimatriisin ja MXenen välisessä rajapinnassa. Tämä lisää polymeerinanokomposiittien dielektrisyysvakiota. Erilaisten tutkimusten perusteella on käynyt ilmi, että polymeerinanokomposiittien dielektrisyysvakion parantaminen parantaa niiden suorituskykyä.
Lisäksi TENG:n suorituskykyä parannettiin säätämällä MXene:n määrää, joka ohjasi MXene-rakenteen liitettävyyttä. Näin sähköinen perkolaatio ei myöskään vaikuttanut. Lisäksi, tarvittiin vain 0.4 paino-% MXeneä saavuttaakseen TENG:n parhaan tehon.
Lisäksi tutkijat toteuttivat heille skaalausprosessin ja koronapurkauksen. Se johti SRP/MXene TENG:n huipputehotiheyden kasvuun. Tämän ansiosta ne voivat ladata tehokkaasti virtaa kaupalliseen elektroniikkaan, kuten latauskondensaattoreihin ja LEDeihin.
KISTin tutkijoiden mukaan Kustannustehokas vihreän vedyn tuotanto aktiivisilla MXeneillä.
Prosessi Ti3C2Tx MXene -nanosarkkien luomiseksi
Seuraavassa kuvassa on esitetty Ti3C2Tx MXene -vesiliuoksen synteesi MXenen kuorimiseksi yksikerroksisella tasolla ja sitten dispergoituneena delonisoituun veteen. MXene-nanoarkit on helppo dispergoida vakaasti vesipitoisiin väliaineisiin negatiivisesti varautuneiden MXene-nanoarkkien sähköstaattisen hylkimisen vuoksi.
SRP Matrixin valmistelu sisältää 75 paino-% alkuainerikin (S) käänteisvulkanointi 25 paino-% 1,3-di-isopropenyylibentseenillä (DIB) komonomeerinä. Tämä mahdollistaa kiinteytyneiden SRP-palojen saamisen alla olevan kuvan mukaisesti. Lisäksi alkuainerikin uudelleenkiteytymisen estämiseksi tutkijat suorittivat SRP-palojen jälkipaistamista 10 minuutin ajan 160 °C:ssa. Tämä auttaa saamaan lisää reagoimattomien lajien reaktioita.
Siten saatiin kemiallisesti stabiileja SRP-paloja, jotka jauhettiin jauheeksi lasittumislämpötilassa (Tg) ≈17 °C. Tutkijat käyttivät kaupallista sekoitinta ja nestemäistä typpeä prosessissa. The SRP-jauheen keskimääräinen projisoidun alueen säde SEM-kuvista mitattuna on 18.9 ± 14.4 µm.
Lisäksi SRP-jauhe upotettiin täysin MXene-vesiliuokseen voimakkaasti ravistellen. Sitten tutkijat käyttivät sitä MXene-nanolevyjen tehokkaaseen päällystämiseen itsekokoamalla haihduttamalla vesipitoista väliainetta tyhjöolosuhteissa huoneenlämpötilassa 25 °C 72 tunnin ajan.
Tehdäkseen tekoälyelektrodiin integroidun SRP/MXene-komposiittikalvon tutkijat asettivat MXene-pinnoitetun SRP-jauheen tekoälykalvolle ja kuumapuristettu 140°C:ssa 2 minuuttia. Koska disulfidisidokset SRP-matriisissa voivat vaihtua dynaamisesti 140 °C:ssa, ne voivat muodostaa vakaan kalvon, kun ne tulevat fyysiseen kosketukseen rajojaan pitkin.
Siten MXene-kerrokset ympäröivät tiukasti eikä niissä ole tyhjää tilaa viereisellä SRP-matriisilla, jossa on äskettäin muodostuneita disulfidisidoksia. Tämä takaa tasaisuuden ja vakauden. Komposiittikalvon tavoitepaksuuden saavuttamiseksi tutkijat tutkivat systemaattisesti lämpötilan vaikutusta kalvon paksuuteen.
Jännityspyyhkäisytestit
Lisäksi tutkijoiden on tarkistettava, säilyivätkö termomekaaniset ominaisuudet jauhamisen ja kuuman kulkemisen aikana. Tätä jännityspyyhkäisykokeet suoritettiin komposiittikalvoilla käyttämällä 0.8 painoprosenttia MXeneä (joka oli sisällössä korkein MXene). Suoritettiin 7 peräkkäistä rasituspyyhkäisytestiä 2 minuutin tauon välissä.
Lineaaristen viskoelastisten alueiden, jotka aiheuttavat rakenteellista tuhoa, tutkimiseksi käytettiin kussakin kokeessa 0.01 - 100 % rasituksia. Tämä oli tarpeen termomekaanisten ominaisuuksien palauttamiseksi dynaamisen sidosvaihdon avulla.
SRP/MXene-komposiittikalvojen moduuli palautettiin onnistuneesti näiden 2 minuutin taukojen aikana. Sitten näitä komposiittikalvoja käytettiin TENG-laitteen kehittämiseen, jota voidaan käyttää pystysuoraan kosketukseen ja erottamiseen.
Ti3C2Tx MXenen Tyndall-vaikutus
Tutkijat vahvistivat myös Tyndall-ilmiön pitoisuudella 0.02 mg ml-1 säteilytettynä yleisesti saatavilla olevalla vihreällä laserilla. Tyndall-ilmiö syntyy MXene-nanolevyjen tasaisella jakautumisella vesiliuoksessa, mikä edelleen johtaa valon sirontaan.
Lisätietoja Jättiläinen energiavarasto hiilinanoputkiköydissä kuin litiumparistoissa, sanoo tutkimus.
Syntetisoitujen MXene-nanosarkkien ominaisuudet
Syntetisoidussa nanoarkissa on seuraavat ominaisuudet:
- Sähkönjohtavuus – 8,381 319 ± 1 S cm−XNUMX (mitattuna nelipisteanturilla)
- Lateraalinen koko – 3.0 ± 2.3 µm (mitattuna pyyhkäisyelektronimikroskoopilla)
- Korkeus – alle 2 nm (atomivoimamikroskopialla mitattuna), mikä osoittaa yksikerroksisen kuorinnan suuren kuvasuhteen.
Seuraavassa taulukossa on yhteenveto MXenen atomikoostumuksesta röntgenfotoelektronispektroskopian (XPS) mittauksesta.
| Atomiprosentti (%) | |
| C 1s | 22.47 |
| F 1s | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Kuten seuraava kuva osoittaa, suurempi SRP-jauheen pinta-ala saavutettiin korkeammalla MXene-vesiliuoksen pitoisuudella. Alhainen MXene-pitoisuus ei johda perkolaatioon komposiittikalvoissa, koska koottujen MXene-kerrosten välillä on huomattava etäisyys.
MXene-pitoisuuden kasvu laukaisee reologisen perkolaation, koska satunnaisesti jakautuneiden kerrosten välinen etäisyys on vähemmän. Kuumapuristuksen aikana polymeeriketjut, joissa on erittäin jäykkiä täyteaineita rajapinnassa, kohdistuvat osittain. Tämä johtaa jäykempiin amorfisiin fraktioihin.
Tässä vaiheessa se on helppo parantaa SRP/MXene-komposiittien kimmokerroin. Myös sähköistä perkolaatiota voidaan lisätä yhdistämään fyysisen kontaktin kautta muodostaen 3D-verkkomaisen rakenteen SRP-matriisiin. Se johtaa johtavien reittien kehittymiseen, jotka ulottuvat ylhäältä alas SRP/MXene-komposiittikalvojen paksuuden läpi.
Tasainen jakelu erillisellä rakenteella
- MXene-pinnoitetun SRP-jauheen tumma väri johtuu lisääntyneestä MXene-pitoisuudesta.
- Seuraavaksi MXene-pitoisuuden kasvaessa hydroksyyliryhmän (OH) piikin (3,430 1 cm−XNUMX) intensiteetti kasvoi, mikä vahvistettiin Fourier-muunnosinfrapunaspektreillä (FT-IR).
- Myöskään huippusiirtymää ei havaittu, mikä selvästi viittaa MXenen ja SRP:n välisiin vuorovaikutuksiin. Poikkileikkaus SEM-kuvat (kirkas osa) osoittavat lisääntyneen MXene-kerrosten välisen liitettävyyden sen sisällön kasvaessa.
- Kuvio e esittää lineaarista korrelaatiota Ti-atomien paino-osuuden ja käytettyjen MXene-pitoisuuksien välillä. Seuraava kuva esittää MXenen hajautettujen tilojen eriytyneet rakenteet, lakunaarisuuden ja fraktaaliulottuvuuden.
Seuraavan kuvan kuvaus on seuraava (aakkosjärjestyksessä):
- Digitaaliset kuvat MXene-pinnoitetusta SRP-jauheesta (i) ja SRP/MXene-komposiittikalvosta vaihtelevalla MXene-sisällöllä (ii)
- Poikkileikkaus SEM-kuvia SEP/MXene-filmeistä, joiden MXene-sisältö vaihtelee.
- Poikkileikkaus EDS-atomikartoituskuvat, joissa on 0.8 painoprosenttia MXene.
- Suurikokoiset SEM-poikkileikkaus- ja atomikartoituskuvat, jotka näyttävät komposiittikalvoja, joissa on 0.4 % MXene.
- Ti-atomin paino-osuus SRP/MXene-kalvossa MXene-sisältönä toimii.
- Erotetun rakenteen ja sisällön murto-osamitta ja puutteellisuus (MXene).
- Varastointimoduuli kumimaisella tasangolla ja komposiittikalvon tan max vaihtelevalla MXene-pitoisuudella.
SRP/MXene-komposiittikalvon dielektriset ominaisuudet
Seuraavasta kuvasta näemme siistien SRP-kalvojen ja SRP/MXene-komposiittikalvojen erilaisia polarisaatiomekanismeja ulkoisen e-kentän alla. Toisin kuin siisteissä SRP-kalvoissa, tässä polarisaatiovaraukset kerääntyvät SRP:n ja MXenen väliseen rajapintaan.
Korkeampaa elektronegatiivisuutta havaittiin kerroksen pääteryhmissä. SRP-matriisissa on enemmän kuin rikkiä ja hiiltä. Tästä johtuen elektronitiheys SRP-matriisista vedetään MXene-kerrosten pinnalle. Siten komposiittikalvot voivat tuottaa suuremman kokonaisnettovarauksen ulkoisen e-kentän alle ylimääräisen kertyneen varauksen vuoksi.
Oletko lukenut kuinka MOF voi tehostaa fotokatalyyttisen vedyn tuotantoa 10 prosentin kvanttisaatolla, sanoo OSU:n tutkimus?
SRP/MXene-komposiittikalvojen lähtöteho (12.5 cm2)
Seuraavassa kuvassa on esitetty SRP/MXene-komposiittikalvojen tehokkuus. Tutkijat mittaavat TENG:iden huippujännitteen ja huippuvirran tutkiakseen järjestelmällisesti niiden lähtötehoa.
Levitetystä SRP/MXenestä valmistetuilla komposiittikalvoilla on seuraavat ominaisuudet.
- Keskimääräinen paksuus – 150 μm
- Aktiivinen alue – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Kosketus- ja erotustaajuus – 30N ja 0.65 Hz
- Mutta kun MXene-pitoisuus nousi 0:sta 4 painoprosenttiin, sekä huippujännite nousi 68.8 ± 4.5:stä että Ipeak 2.5 ±:stä μA arvoon 161.0 ± 20.0 V ja 8.1 ± 1.0 μA.
Kuten odotettiin, tribosähköisen tehon suorituskyky oli korkea SRP/MXene-komposiittipohjaisessa TENG:ssä 0.4 paino-%. Seuraavaksi TENG-lähdön suorituskyvyn parametri oli kontaktikerroksen paksuus. Kun se oli pienempi kuin optimoitu arvo ja varautunut pinta oli liian lähellä AI-elektrodia, se synnytti negatiivisia varauksia komposiittikalvoihin.
Kun taas paksuus oli enemmän kuin optimaalinen, positiivista varausta ei syntynyt, koska sähkökenttä heikkeni etäisyyden myötä. Siten optimipaksuudeksi mitattiin ≈500 μm.
Pitkäaikainen toimintavakaus
24 tunnin sähköntuotantotesteillä tutkijat tarkistivat SRP/MXene-komposiittipohjaisten TENG:iden pitkän aikavälin toiminnan vakauden. Vakaa sähköntuotanto ilman merkittäviä vähennyksiä Vpeakissa ja Ipeakissa 24 tunnin aikana.
Lisäksi tasainen MXene-jakauma indusoi suuren rajapinta-alueen MXenen ja SRP:n välillä, mikä mahdollistaa merkittävät TENG-suoritukset.
MXene/SRP-komposiittipohjaisen TENG:n kestävyyden selvittäminen
Tutkijat osoittivat sen kokeellisesti käyttämällä koko suljetun kierron kierrätysprosessia.
- He poistivat ensin fyysisesti kiinnitetyn AI-folioelektrodin komposiittikalvosta
- Sitten kalvo jauhettiin Tg:n alapuolelle nestemäisellä typellä.
- Sen jälkeen se tyhjökuivattiin kosteuden tiivistymisen estämiseksi.
- Sitten he käsittelivät uudelleen repulveroitu SRP/MXene-komposiitti jauhe kalvoksi kuumapuristamalla se alkuvalmisteluolosuhteissa.
- Jälleen kierrätettyä kalvoa käytettiin TENG-laitteiden kehittämiseen.
Kierrätetyn MXene/SRP-komposiittikalvon ominaisuudet
- Vähäisiä muutoksia ulkonäössä ja värissä
- Kumitasanne pysyi vakiona, eikä heikentynyttä (kalvon 4 kertaa kierrätyksen jälkeen)
- Myös Vpeak ja Ipeak säilytettiin.
Tulostustehon parantaminen: Koronapurkaus ja MXene/SRP:n suurennus (81.1 cm2)
Koronapurkauksen jälkeen komposiittikalvojen pintapotentiaali 0.4 paino-% parani merkittävästi. Tutkijat ruiskuttivat syntyneet elektronit keinotekoisesti kontaktikerroksen pintaan. SRP/MXene-komposiittikalvo skaalattiin jopa 4 tuuman kiekoiksi sen soveltuvuuden osoittamiseksi erilaisiin laajamittaisiin sovelluksiin.
Skaalatussa TENG:ssä on Vpeak (1,717.7 129.0 V) ja Ipeak (3.6 μA), mikä on noin ≈ 4.4, mikä on XNUMX kertaa korkeampi kuin ennen koronapurkausta mitatut arvot.
Tutkijat huomasivat, että 8 mΩ kuormitusvastuksessa huipputehotiheys saavutti 3.80 W m-2. Tämä on 8.4-kertainen kasvu verrattuna SRP/PPFS-sekoituspohjaisten TENG:iden aiempiin kirjattuihin arvoihin. Lisäksi vaadittu kuorma-avustus pieneni 12.5-kertaisesti vanhoihin tietueisiin verrattuna.
Kun verrattiin aiemmin raportoituun pystysuoraan kosketus- ja erotustilaan MXene-pohjaiseen TENG:hen, SRP/MXene-pohjainen TENG osoitti ylivoimaista tai vertailukelpoista TENG-lähtötehoa, mukaan lukien tehotiheys, Vhuippu, ja Ipiikin huolimatta siitä, että käytettiin merkittävästi pientä määrää 0.4 painoprosenttia MXeneä. Erityisesti SRP/MXene-pohjaisen TENG:n tiheys taajuutta kohden oli noin 5.86 W m−2 Hz−1.
Tutkimus paljasti, että se on mahdollista kehittää ympäristöystävällinen ilmalannoite purppuraisista meren bakteereista.
Aiemmat raportit SRP Constructionista
2019 – Tutkijat esittelivät käsite SRP:n käytöstä erittäin suorituskykyisen TENG:n rakentamiseen fluoraamalla SRP-kalvon pinta suoraan.
haittoja – Tämä lähestymistapa käyttää F2-kaasua, joka on syttyvää ja erittäin myrkyllistä, mikä vaarantaa ihmisten turvallisuuden eikä tarjoa ympäristön kestävyyttä.
2022 – SRP-matriisiin kehitettiin polymeeriseos, joka sisältää haihtumatonta poly(pentafluoripolystyreeniä) tai PPFS:ää F2-kaasuun liittyvien vaarojen huomioon ottamiseksi. Tämä 2. sukupolven SRP-pohjainen TENG osoitti myös hyvää suorituskykyä verrattuna 1. sukupolveen. Se osoitti myös pitkän aikavälin vakaata sähköntuotantoa.
Tämä parannus johtui uudesta käsittelysuunnittelusta, joka sai PPFS-pitoiset pinnat lokalisoitumaan faasierotuksella lämpökalvon käsittelyn aikana.
haittoja – PPFS:n käyttö on rajoitettu 7.5 painoprosenttiin. Kestävien SRP-pohjaisten TENG:ien edut heikkenevät, kun käytetään PPFS:ää. PPFS:n aiheuttama ympäristön saastuminen on edelleen silmukassa ilman, että uudelleenkäytettävyyttä yritetään osoittaa. Koska fluoripohjaisten osien pitäisi olla pinnalla, jotta TENG toimisi paremmin, se vaikeutti uudelleenkäsittelyä.
2024 – SRP-komposiittijärjestelmä, joka sisältää pienen määrän Ti3C2Tx MXeneä nanotäyteaineena kestävien ja tehokkaiden TENG:iden kehittämiseen. Se korjaa tehokkaasti aiempien SRP-pohjaisten TENG:ien rajoitukset.
Yhteenveto
Näin kävi selväksi, että tämä lähestymistapa tallensi tehokkaan ja kestävän rikkipitoisen komposiitin MXenen kanssa. Se osoitti suurta tehotiheyttä ja osoitti suljetun kierron kierrätystä ilman kompromisseja TENG-laitteen suorituskyvyssä. TENG:tä pidetään ympäristöystävällisenä, koska siinä hyödynnetään hukkaelementtejä, rikkiä. Näissä kalvoissa on myös dynaamisesti vaihdettavia disulfidisidoksia, joiden ansiosta niitä voidaan käyttää uudelleen repulverointi ja lämpökäsittely niitä. Tämän innovatiivisen lähestymistavan odotetaan voittavan edellisen järjestelmän rajoitukset.
Lähde: tuki informaatio
