Vihreän energian keräämistä on tutkittu aktiivisesti viime vuosikymmeninä hiilineutraaliuden saavuttamiseksi. Triboelektrinen nanogeneraattori eli TENG on lupaava vihreän energian kerääjä, joka käyttää tavallisesta liikkeestä hukkaan heitettyä matalataajuista mekaanista energiaa monien asioiden tuottamiseen. Kehittämisestään vuonna 2012 lähtien TENGiä on pidetty erittäin hyödyllisenä. Hiljattain tutkijaryhmä työsti aiempaa konseptiaan uudella lähestymistavalla ja loi tehokkaan ja kestävän rikkiä sisältävän komposiitin MXeenin avulla.
Tutkimuksen tavoite – Kehittää uusia tribomateriaaleja korkean suorituskyvyn omaavien TENG-putkien luomiseksi.
Tehokas ja kestävä rikkirikas komposiitti, jossa on Mxene
Kuitenkin TENG-putkien huippuluokan tribomateriaalien osalta yli 50 % nykytutkimuksesta on käyttänyt fluoropolymeerejä, mukaan lukien polytetrafluoroetyleeni (PTFE), fluorattu etyleenipropeeni (FEP) ja polyvinyylideenifluoridi (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.
Ympäristölle ja ihmisten terveydelle aiheutuvien haitallisten vaikutusten lieventämiseksi on kehitettävä rikkipitoisia polymeerejä. Ne koostuvat pääasiassa 7 miljoonasta tonnista alkuainerikkiä , joka on peräisin öljynjalostuksen hydrodesulfurointiprosessista.
Prosessin aikana alkuainerikki erotetaan rikkivetykaasusta (H2S), mikä johtaa poikkeuksellisen puhtaampaan lopputulokseen kuin muut jätteet . Korkeimman elektroniaffiniteettinsa, -200 kJ mol-1, ja elektroniaffiniteettinsa, -122 kJ mol-1, ansiosta niistä tulee lupaava alkuaine korkean suorituskyvyn omaavien suuntaamattomien sähkögeneraattoreiden (TENG) rakentamiseen. Lisäksi loppukäytettyä SRP:tä voidaan käyttää uudelleen lämpökäsittelyllä ilman mekaanisten ominaisuuksien kriittistä heikkenemistä sen dynaamisesti vaihdettavien disulfidisidosten ansiosta.
MXene – uusi nanomateriaali
MXene kuuluu uuteen 2D-nanomateriaalien perheeseen . Sillä on 2D-levymäinen rakenne , jolla on korkea sivusuhde. Sillä on metallinen sähkönjohtavuus (5000–20 000 S cm-1). MXeenillä on myös metallinen ydin sekä oksidi- ja fluoripohjaisia pintapääteryhmiä, jotka antavat sille negatiivisesti varautuneita pintoja.
Negatiivisesti varautuneet pinnat mahdollistavat MXene-nanolevyjen stabiilin dispersion vesipitoisissa väliaineissa . Tämä osoittautuu edelleen edulliseksi ympäristösovelluksissa ja pinnoitusprosesseissa kappaleille, joilla on vaihteleva 3D-topografia. Vakaan dispersion ja sähkönjohtavuuden saavuttamiseksi vesipitoisissa väliaineissa MXene ei vaadi ylimääräisiä pelkistys- tai hapetusprosesseja.
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 MXeenin määrää, mikä kontrolloi MXeenin rakenteen kytkeytyvyyttä. Tällä tavoin sähköinen perkolaatio ei myöskään muuttunut. Lisäksi vain 0.4 painoprosenttia MXeeniä tarvittiin TENG:n parhaan tehon saavuttamiseksi.
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.
KIST-tutkijoiden mukaan kustannustehokas vihreän vedyn tuotanto aktiivisten MXeenien avulla.
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-matriisin valmistukseen kuuluu 75 painoprosentin alkuainerikin (S) käänteinen vulkanointi 25 painoprosentin 1,3-di-isopropenyylibentseenin (DIB) kanssa komonomeerina . Tämä mahdollistaa jähmettyneiden SRP-palojen saamisen, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Lisäksi alkuainerikin uudelleenkiteytymisen estämiseksi tutkijat suorittivat SRP-palojen jälkikuumennuksen 10 minuuttia 160 °C:ssa. Tämä auttaa reagoimattomien lajien lisäreaktioiden saavuttamisessa.
Näin saatiin kemiallisesti stabiileja SRP-paloja, jotka jauhettiin ≈17 °C:n lasittumislämpötilassa ( Tg ). Tutkijat käyttivät prosessissa kaupallista sekoitinta ja nestemäistä typpeä. SEM-kuvista mitattu SRP-jauheen keskimääräinen projisoitu pinta-alan säde 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.
Sitten tutkijat tekivät tekoälyelektrodilla integroidun SRP/MXene-komposiittikalvon asettamalla MXene-päällysteisen SRP-jauheen tekoälyfoliolle ja kuumapuristamalla sitä 140 °C:ssa kahden minuutin ajan . Koska SRP-matriisin disulfidisidokset voivat vaihtua dynaamisesti 140 °C:ssa, ne voivat muodostaa stabiilin kalvon, kun ne joutuvat fyysiseen kosketukseen rajojensa 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.
Tutkimuksen mukaan löydät enemmän tietoa hiilinanoputkiköysien jättimäisestä energian varastoinnista kuin litiumakuista.
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.
MXeenipitoisuuden kasvu laukaisee reologisen perkolaation, koska satunnaisesti jakautuneiden kerrosten välinen etäisyys pienenee. Kuumapuristuksen aikana polymeeriketjut, joiden rajapinnassa on jäykkiä täyteaineita, asettuvat osittain linjaan. Tämä johtaa jäykempiin amorfisiin fraktioihin.
Tässä vaiheessa SRP/MXene-komposiittien kimmomoduulia on helppo parantaa . Myös sähköistä perkolaatiota voidaan lisätä, jolloin kalvot yhdistyvät fyysisen kontaktin kautta muodostaen kolmiulotteisen verkkomaisen rakenteen SRP-matriisiin. Tämä 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, miten MOF voi tehostaa fotokatalyyttistä vedyn tuotantoa 10 %:n kvanttisaantolla, 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 vertasimme aiemmin raportoituja vertikaalista kontakti- ja erotusmoodia käyttäviä MXene-pohjaisia TENG-impulsseja, SRP/MXene-pohjaisilla TENG-impulsseilla oli parempi tai vertailukelpoinen TENG-lähtöteho, mukaan lukien tehotiheys, V- huippu ja I- huippu, vaikka niissä käytettiin merkittävästi pientä, 0.4 painoprosentin, MXene-impulssia. Erityisesti SRP/MXene-pohjaisten TENG-impulssien tiheys taajuuskohtaisesti oli noin 5.86 W m−2 Hz−1.
Tutkimus paljasti, että muussatuista violeteista meribakteereista on mahdollista kehittää ympäristöystävällistä ilmalannoitetta.
Aiemmat raportit SRP Constructionista
2019 – Tutkijat esittelivät SRP:n käyttökonseptin korkean suorituskyvyn omaavan TENG:n rakentamiseen fluoraamalla SRP-kalvopinta suoraan.
Haitat – Tässä lähestymistavassa käytetään F2-kaasua, joka on syttyvää ja erittäin myrkyllistä, mikä vaarantaa ihmisten turvallisuuden eikä tarjoa ympäristön kestävyyttä.
2022 – SRP-matriisiin kehitettiin polymeeriseos, joka sisälsi haihtumatonta poly(pentafluoropolystyreeniä) eli PPFS:ää, F2-kaasuun liittyvien vaarojen huomioon ottamiseksi. Tämä toisen sukupolven SRP-pohjainen TENG osoitti myös hyvää tehoa verrattuna ensimmäisen sukupolven vastaavaan. Se osoitti myös pitkän aikavälin vakaata sähköntuotantoa.
Tämä parannus johtui uudesta käsittelysuunnittelusta, joka sai PPFS-pitoiset pinnat lokalisoitumaan faasierotuksella lämpökalvon käsittelyn aikana.
Haitat – PPFS:n käyttö on rajoitettu 7.5 painoprosenttiin. Kestävien SRP-pohjaisten TENG-putkien edut vähenevät PPFS:n käytössä. PPFS:n aiheuttama ympäristön saastuminen on edelleen käynnissä, eikä uudelleenkäytettävyyttä ole pyritty osoittamaan. Koska fluoripohjaisten osien tulisi olla pinnalla, jotta TENG toimisi paremmin, uudelleenkäsittely on vaikeaa.
2024 – SRP-komposiittijärjestelmä, jossa käytetään nanotäyteaineena pientä määrää Ti3C2Tx-MXeeniä kestävien ja tehokkaiden TENG-putkien kehittämiseksi. Se korjaa tehokkaasti aiempien SRP-pohjaisten TENG-putkien rajoitukset.
Yhteenveto
Tällä tavoin kävi selvemmäksi, että tämä lähestymistapa tallensi tehokkaan ja kestävän rikkiä sisältävän komposiitin MXeenin avulla. Se osoitti suurta tehotiheyttä ja suljetun kierron kierrätystä ilman, että TENG-laitteen suorituskyvystä aiheutuisi kompromisseja. TENGiä pidetään ympäristöystävällisenä, koska se hyödyntää hukka-aineita, rikkiä. Lisäksi näissä kalvoissa on dynaamisesti vaihdettavissa olevia disulfidisidoksia, joiden ansiosta niitä voidaan käyttää uudelleen jauhamalla ja lämpökäsittelemällä niitä. Tämän innovatiivisen lähestymistavan odotetaan voittavan aiemman järjestelmän rajoitukset.
Lähde : Lisätiedot
