La récupération d'énergie verte fait l'objet de recherches actives depuis plusieurs décennies afin d'atteindre la neutralité carbone. Le nanogénérateur triboélectrique (TENG) est un dispositif prometteur de récupération d'énergie verte qui exploite l'énergie mécanique basse fréquence issue des mouvements ordinaires pour produire de nombreux dispositifs. Depuis sa mise au point en 2012, le TENG est considéré comme très utile. Récemment, une équipe de chercheurs a perfectionné ce concept en adoptant une nouvelle approche et a mis au point un composite riche en soufre, efficace et durable, à base de MXène.
Objectif de l'étude : développer de nouveaux matériaux tribologiques pour la création de TENG haute performance.
Composite riche en soufre efficace et durable avec Mxene
Cependant, en ce qui concerne les matériaux tribologiques de pointe pour les TENG , plus de 50 % des recherches actuelles ont utilisé des fluoropolymères, notamment le polytétrafluoroéthylène (PTFE), l'éthylène-propylène fluoré (FEP) et le fluorure de polyvinylidène (PVDF).
Selon le tableau périodique, le fluor présente la plus forte affinité électronique (1328.2 1 kJ mol-4.0) et la plus forte négativité électronique (XNUMX). Cela signifie qu'il peut efficacement extraire des électrons d'autres matériaux et générer une forte densité de charge de surface négative.
De ce fait, les fluoropolymères sont largement utilisés comme couches de contact chargées négativement pour la fabrication de TENG. Malgré leurs avantages pour le matériau, des organisations nationales et des chercheurs contemporains ont émis plusieurs avertissements contre leur utilisation en raison de leur caractère polluant.
Points forts
- Les nanogénérateurs triboélectriques ou TENG utilisent des fluoropolymères comme matériaux chargeables en série triboélectrique.
- Les substances poly- et perfluoroalkylées (PFAS) présentes dans les TENG sont rejetées dans l’environnement au cours de leur cycle de vie et provoquent une pollution environnementale.
- Le composite SRP ou polymère riche en soufre/MXène est une alternative durable qui offre des performances élevées.
- Le soufre est un déchet abondant provenant du raffinage du pétrole et parmi les atomes polymérisables, il possède la plus forte affinité électronique d'environ −200 kJ mol−1.
- Moins de 0.5 % de MXène est ajouté au SRP pour une répartition homogène sans percolation électrique. Cela entraîne une augmentation de la constante diélectrique sans augmentation significative des pertes diélectriques.
- Avec une distribution MXene homogène, le TENG améliore la tension de crête (environ 2.9 %) et le courant de crête (environ 19.5 %) par rapport aux TENG précédents basés sur SRP.
- Grâce à ses liaisons disulfures échangeables dynamiques, il montre également sa réutilisabilité sans réduire le module et les performances TEG.
- Une fois la taille de la plaquette portée à 4 pouces, la densité de puissance maximale du TENG à base de composite SRP/MXene est multipliée par environ 8.4. Elle atteint 3.80 W/m² par rapport aux précédents TENG à base de SRP.
- Pour la première fois, les chercheurs ont également établi un système de recyclage en boucle fermée parmi les TENG basés sur SRP.
Pour atténuer les effets néfastes sur l'environnement et la santé humaine, il est nécessaire de développer des polymères riches en soufre. Ceux-ci sont principalement composés de 7 millions de tonnes de soufre élémentaire provenant du procédé d'hydrodésulfuration du raffinage du pétrole.
Au cours de ce procédé, le soufre élémentaire est extrait du sulfure d'hydrogène (H₂S) gazeux, ce qui permet d'obtenir un soufre d'une pureté exceptionnelle, supérieure à celle d'autres déchets . Grâce à son affinité électronique maximale de -200 kJ mol⁻¹ et à son affinité électronique de -122 kJ mol⁻¹, le soufre élémentaire constitue un élément prometteur pour la fabrication de TENG haute performance. De plus, le SRP usagé peut être réutilisé par retraitement thermique sans détérioration significative de ses propriétés mécaniques, grâce à la nature dynamique de ses liaisons disulfure.
MXene – le nouveau nanomatériau
Le MXène appartient à une nouvelle famille de nanomatériaux 2D . Il possède une structure en feuillets 2D à rapport d'aspect élevé. Sa conductivité électrique est comparable à celle des métaux (5 000 à 20 000 S cm⁻¹). Le MXène est également composé d'un cœur métallique et de groupements terminaux de surface à base d'oxyde et de fluor, ce qui lui confère une charge négative.
Les surfaces chargées négativement assurent une dispersion stable des nanofeuilles de MXène en milieu aqueux . Ceci s'avère particulièrement avantageux pour les applications environnementales et les procédés de revêtement d'objets à topographie 3D variable. Pour obtenir une dispersion stable en milieu aqueux et une conductivité électrique, le MXène ne nécessite aucun traitement supplémentaire de réduction ou d'oxydation.
Améliorations des performances de sortie TENG avec MXene
La conductivité électrique et la charge de surface négative du MXène sont responsables de l'induction de dipôles microscopiques à l'interface entre la matrice polymère et le MXène. Cela augmente la constante diélectrique des nanocomposites polymères. Diverses recherches ont démontré que l'amélioration de la constante diélectrique des nanocomposites polymères améliore leurs performances.
De plus, les performances du TENG ont été améliorées en ajustant la quantité de MXène, ce qui a permis de contrôler la connectivité de sa structure. Ainsi, la percolation électrique n'a pas été affectée. Par ailleurs, seulement 0.4 % en poids de MXène ont suffi pour obtenir les performances de sortie maximales du TENG.
De plus, les chercheurs ont mis en œuvre le processus de mise à l'échelle et la décharge corona. Cela a permis d'augmenter la densité de puissance de crête du TENG SRP/MXene. Cela leur permet d'alimenter efficacement des composants électroniques commerciaux tels que des condensateurs de charge et des LED.
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Procédé de génération de nanofeuilles de MXène Ti3C2Tx
La figure suivante illustre la synthèse d'une solution aqueuse de MXène Ti3C2Tx pour exfolier le MXène en une seule couche, puis le disperser dans de l'eau déionisée. La dispersion stable des nanofeuilles de MXène en milieu aqueux est aisée grâce à la répulsion électrostatique entre les nanofeuilles de MXène chargées négativement.
La préparation de la matrice SRP comprend une vulcanisation inverse de 75 % en poids de soufre élémentaire (S) avec 25 % en poids de 1,3-diisopropénylbenzène (DIB) comme comonomère . Ceci permet d'obtenir des morceaux de SRP solidifiés, comme illustré ci-dessous. De plus, afin d'empêcher la recristallisation du soufre élémentaire, les chercheurs ont procédé à une cuisson ultérieure des morceaux de SRP pendant 10 minutes à 160 °C. Cette étape favorise la poursuite des réactions des espèces n'ayant pas réagi.
Des fragments de SRP chimiquement stables ont ainsi été obtenus et pulvérisés en poudre à une température inférieure à leur température de transition vitreuse ( Tg ) d'environ 17 °C. Les chercheurs ont utilisé un mélangeur commercial et de l'azote liquide pour ce procédé. Le rayon moyen de la surface projetée de la poudre de SRP, mesuré à partir d'images MEB, est de 18.9 ± 14.4 µm.
De plus, la poudre SRP a été entièrement immergée dans une solution aqueuse de MXene par agitation vigoureuse. Les chercheurs l'ont ensuite utilisée pour enrober efficacement des nanofeuilles de MXene par auto-assemblage par évaporation du milieu aqueux sous vide à température ambiante (25 °C) pendant 72 heures.
Pour fabriquer un film composite SRP/MXène intégrant une électrode en aluminium, les chercheurs ont déposé de la poudre de SRP revêtue de MXène sur une feuille d'aluminium et l' ont pressée à chaud à 140 °C pendant 2 minutes . Les liaisons disulfure de la matrice SRP étant susceptibles de s'échanger dynamiquement à cette température, elles forment un film stable au contact de leurs interfaces.
Ainsi, les couches de MXene sont étroitement entourées et exemptes de vides par une matrice SRP adjacente comportant des liaisons disulfures nouvellement formées. Cela garantit uniformité et stabilité. Pour atteindre l'épaisseur cible du film composite, les chercheurs ont systématiquement étudié l'effet de la température sur l'épaisseur du film.
Essais de balayage de contrainte
De plus, les chercheurs doivent vérifier si les propriétés thermomécaniques ont été maintenues pendant la pulvérisation et le passage à chaud. Pour cela, des essais de balayage de contrainte ont été réalisés sur les films composites contenant 0.8 % en poids de MXène (la teneur en MXène la plus élevée). Sept essais de balayage de contrainte consécutifs ont été réalisés, espacés de 7 minutes.
Afin d'explorer au-delà des régions viscoélastiques linéaires induisant une destruction structurelle, des déformations allant de 0.01 % à 100 % ont été appliquées à chaque essai. Cela était nécessaire pour la restauration des propriétés thermomécaniques par échange de liaisons dynamique.
Le module des films composites SRP/MXene a été récupéré avec succès pendant ces pauses de 2 minutes. Ces films composites ont ensuite servi à développer le dispositif TENG, utilisable pour le contact et la séparation verticaux.
L'effet Tyndall du Ti3C2Tx MXene
Les chercheurs ont également confirmé l'effet Tyndall avec une concentration de 0.02 mg·mL-1 irradiée sous un laser vert courant. L'effet Tyndall se produit par une répartition uniforme des nanofeuilles de MXène dans une solution aqueuse, ce qui entraîne une diffusion de la lumière.
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Caractéristiques des nanofeuilles de MXène synthétisées
La nanofeuille synthétisée présente les caractéristiques suivantes :
- Conductivité électrique – 8,381 319 ± 1 S cm−XNUMX (mesurée par une sonde à quatre points)
- Taille latérale – 3.0 ± 2.3 µm (mesurée par microscopie électronique à balayage)
- Hauteur – inférieure à 2 nm (mesurée par microscopie à force atomique), ce qui indique un rapport hauteur/largeur élevé de l’exfoliation au niveau de la monocouche.
Le tableau suivant présente une vue résumée de la composition atomique du MXène à partir de la mesure par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS).
| Pourcentage atomique (%) | |
| C 1 | 22.47 |
| F 1s | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Comme le montre la figure suivante, la plus grande surface de la poudre SRP a été obtenue grâce à une concentration plus élevée de solution aqueuse de MXène. Une faible teneur en MXène empêche la percolation dans les films composites, car il existe une distance importante entre les couches de MXène assemblées.
L'augmentation de la teneur en MXène induit une percolation rhéologique, la distance entre les couches dispersées étant réduite. Lors du pressage à chaud, les chaînes polymères présentant des charges rigides à l'interface s'alignent partiellement, ce qui engendre des fractions amorphes plus rigides.
À ce stade, il est aisé d'améliorer le module d'élasticité des composites SRP/MXène. De plus, la percolation électrique peut être accrue, permettant l'interconnexion par contact physique et la formation d'une structure tridimensionnelle en réseau au sein de la matrice SRP. Ceci induit le développement de voies conductrices s'étendant de haut en bas à travers l'épaisseur des films composites SRP/MXène.
Distribution uniforme avec structure ségréguée
- La couleur foncée de la poudre SRP enrobée de MXene est due à une teneur accrue en MXene.
- Ensuite, à mesure que la teneur en MXene augmentait, il y avait une augmentation de l'intensité du pic du groupe hydroxyle (OH) (3,430 1 cm−XNUMX), ce qui a été confirmé par les spectres infrarouges à transformée de Fourier (FT-IR).
- De plus, aucun décalage de pic n'a été observé, ce qui suggère clairement des interactions entre le MXène et le SRP. Les images MEB en coupe transversale (section claire) montrent une connectivité accrue entre les couches de MXène à mesure que sa teneur augmente.
- La figure e illustre une corrélation linéaire entre la fraction massique d'atomes de Ti et les teneurs en MXène appliqué. La figure suivante illustre les structures ségréguées, la lacunarité et la dimension fractale des états distribués du MXène.
La description de l'image suivante est la suivante (ordre alphabétique) :
- Images numériques de poudre SRP revêtue de MXene (i) et de film composite SRP/MXene avec une teneur en MXene variée (ii)
- Images SEM en coupe transversale de films SEP/MXene avec une teneur variable en MXene.
- Images de cartographie atomique EDS en coupe transversale avec 0.8 % en poids de MXene.
- Les images de coupe transversale et de cartographie atomique SEM de grande magnitude montrent des films composites avec 0.4 % de MXene.
- Fraction pondérale de l'atome de Ti dans le film SRP/MXene en fonction de la teneur en MXene.
- Dimension fractionnaire et lacunarité de la structure ségréguée par rapport au contenu (MXène).
- Module de stockage dans la région du plateau caoutchouteux et tan max du film composite avec des teneurs variables en MXene.
Propriétés diélectriques du film composite SRP/MXene
La figure suivante illustre les différents mécanismes de polarisation des films SRP purs et des films composites SRP/MXène sous champ électrique externe. Contrairement aux films SRP purs, les charges polarisantes s'accumulent ici à l'interface entre le SRP et le MXène.
Une électronégativité plus élevée a été observée dans les groupes terminaux de la couche. Elle est supérieure à celle du soufre et du carbone présents dans la matrice SRP. De ce fait, la densité électronique de la matrice SRP est retirée à la surface des couches de MXene. Ainsi, les films composites peuvent générer une charge nette totale plus élevée sous l'effet du champ électrique externe, grâce à la charge accumulée supplémentaire.
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Performances de sortie des films composites SRP/MXene (12.5 cm2)
La figure suivante illustre les performances de sortie des films composites SRP/MXene. Les chercheurs mesurent la tension et le courant de crête des TENG afin d'étudier systématiquement leurs performances de sortie.
Les films composites fabriqués à partir de SRP/MXene appliqué présentent les caractéristiques suivantes.
- Épaisseur moyenne – 150 μm
- Zone active – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Fréquence de contact et de séparation – 30 N et 0.65 Hz
- Mais lorsque la teneur en MXene augmente de 0 à 4 % en poids, il y a une augmentation de la tension de crête de 68.8 ± 4.5 et de l'Ipeak de 2.5 ± µA à 161.0 ± 20.0 V et 8.1 ± 1.0 µA.
Comme prévu, les performances de sortie triboélectrique du TENG à base de composite SRP/MXene étaient élevées avec 0.4 % en poids. L'épaisseur de la couche de contact était un paramètre important des performances de sortie du TENG. Lorsqu'elle était inférieure à la valeur optimisée et que la surface chargée était trop proche de l'électrode AI, des charges négatives étaient générées sur les films composites.
En revanche, lorsque l'épaisseur était supérieure à l'optimum, aucune charge positive n'était générée, car le champ électrique diminuait avec la distance. Ainsi, l'épaisseur optimale mesurée était d'environ 500 μm.
Stabilité opérationnelle à long terme
Grâce à des tests de production d'énergie sur 24 heures, les chercheurs ont vérifié la stabilité opérationnelle à long terme des générateurs TENG à base de composite SRP/MXene. Une production d'énergie stable sans baisse significative de Vpeak et Ipeak a été enregistrée pendant 24 heures.
De plus, la distribution uniforme du MXene induit une grande surface d'interface entre le MXene et le SRP, ce qui permet des performances TENG remarquables.
Décrypter la durabilité du TENG à base de composite MXene/SRP
Les chercheurs l’ont démontré expérimentalement en utilisant un processus de recyclage en boucle fermée.
- Ils ont d’abord retiré l’électrode en feuille d’AI physiquement attachée au film composite
- Le film a ensuite été pulvérisé en dessous de Tg avec de l'azote liquide.
- Il a ensuite été séché sous vide pour éviter la condensation de l’humidité.
- Ensuite, ils ont retraité le composite SRP/MXene repulvérisé poudre en un film en la pressant à chaud dans les conditions de préparation initiales.
- Une fois encore, le film recyclé a été utilisé pour développer des dispositifs TENG.
Caractéristiques du film composite MXene/SRP recyclé
- Changements négligeables d'apparence et de couleur
- Le plateau en caoutchouc est resté constant et il n'y a eu aucune détérioration (après avoir recyclé le film 4 fois)
- De plus, les valeurs Vpeak et Ipeak ont été conservées.
Pour améliorer les performances de sortie : décharge corona et mise à l'échelle MXene/SRP (81.1 cm2)
Après décharge corona, le potentiel de surface des films composites à 0.4 % en poids a été significativement amélioré. Les chercheurs ont injecté artificiellement les électrons générés à la surface de la couche de contact. Le film composite SRP/MXene a été reproduit à grande échelle sur des plaquettes de 4 pouces afin de démontrer son potentiel pour diverses applications à grande échelle.
Le TENG à l'échelle a respectivement Vpeak (1,717.7 129.0 V) et Ipeak (3.6 μA), ce qui est environ ≈4.4, soit XNUMX fois plus élevé que ceux mesurés avant la décharge corona.
Les chercheurs ont constaté qu'avec une résistance de charge de 8 mΩ, la densité de puissance maximale atteignait 3.80 W·m-2. Il s'agit d'une augmentation de 8.4 fois par rapport aux précédents enregistrements réalisés par les TENG à base de mélange SRP/PPFS. De plus, l'assistance de charge requise a été réduite d'un facteur 12.5 par rapport aux anciens records.
Comparativement aux TENG à base de MXène fonctionnant en mode contact vertical et séparation précédemment décrits, le TENG à base de SRP/MXène a présenté des performances supérieures ou comparables, notamment en termes de densité de puissance, de tension de crête ( V <sub>crête</sub>) et de courant de crête ( I <sub>crête</sub>), malgré l'utilisation d'une quantité très faible de MXène (0.4 % en poids). En particulier, la densité de puissance par fréquence du TENG à base de SRP/MXène était d'environ 5.86 W m<sup>−2</sup> Hz<sup>−1</sup>.
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Rapports précédents sur SRP Construction
2019 – Des chercheurs ont introduit le concept d'utilisation du SRP pour la construction d'un TENG haute performance en fluorant directement la surface du film SRP.
Inconvénients – Cette approche utilise du gaz F2, inflammable et hautement toxique, ce qui met en danger la sécurité humaine et ne garantit pas la durabilité environnementale.
2022 – Un mélange de polymères incorporant du poly(pentafluoropolystyrène) non volatil (PPFS) a été développé dans la matrice SRP afin de pallier les dangers liés au fluorure d'hydrogène (F2). Ce TENG de deuxième génération, basé sur la technologie SRP, a également démontré de bonnes performances de production d'énergie par rapport à la première génération. De plus, il a prouvé sa capacité à générer une puissance stable sur le long terme.
Cette amélioration est due à une nouvelle conception de traitement qui a permis aux surfaces riches en PPFS de se localiser par séparation de phase lors du traitement du film thermique.
Inconvénients – L’utilisation du PPFS est limitée à 7.5 % en poids. Les avantages des TENG durables à base de SRP sont amoindris par son utilisation. La pollution environnementale engendrée par le PPFS persiste, sans qu’aucune tentative de réutilisation ne soit faite. La présence de composants fluorés en surface, nécessaire à une performance optimale du TENG, complexifie son retraitement.
2024 – Système composite SRP incorporant une infime quantité de MXène Ti3C2Tx comme nanorenfort pour le développement de TENG durables et performants. Il remédie efficacement aux limitations des TENG précédents basés sur la technologie SRP.
Conclusion
Il est ainsi apparu clairement que cette approche permettait d'obtenir un composite riche en soufre et à base de MXène, efficace et durable. Elle a démontré une densité de puissance élevée et un recyclage en boucle fermée sans compromettre les performances du dispositif TENG. Le TENG est considéré comme respectueux de l'environnement car il utilise un élément précieux, le soufre. De plus, ces films possèdent des liaisons disulfures dynamiquement échangeables, ce qui permet leur réutilisation par pulvérisation et traitement thermique . Cette approche novatrice devrait permettre de surmonter les limitations du système précédent.
Source du contenu : Nanogénérateur triboélectrique haute performance et durable à base de composite polymère riche en soufre avec structure MXène ségrégée
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