La récupération d’énergie verte a fait l’objet de recherches actives au cours des dernières décennies pour atteindre la neutralité carbone. Nanogénérateur triboélectrique Le TENG est un récupérateur d'énergie verte prometteur qui exploite l'énergie mécanique basse fréquence, issue des mouvements ordinaires, pour produire de nombreux objets. Depuis son développement en 2012, le TENG est reconnu comme très utile. Récemment, une équipe de chercheurs a retravaillé son concept précédent avec une nouvelle approche et a généré un composite riche en soufre, efficace et durable, à base de MXene.
Le but de l'étude – Développer de nouveaux matériaux tribo pour créer des TENG hautes performances.
Composite riche en soufre efficace et durable avec Mxene
Toutefois, en ce qui concerne l’état de l’art tribo-matériaux pour TENG, plus de 50 % des recherches actuelles ont utilisé des fluoropolymères, notamment le polytétrafluoroéthylène (PTFE), l'éthylène propylène fluoré (FEP) et le polyfluorure de vinylidène (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.
Temps 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 impacts négatifs sur l'environnement et la santé humaine, il est nécessaire de développer des polymères riches en soufre. Ils sont principalement composés de 7 millions de tonnes de soufre élémentaire dérivé du processus d'hydrodésulfuration du raffinage de l'huile de pétrole.
Au cours du processus, le soufre élémentaire est extrait du gaz de sulfure d'hydrogène (H2S) et donne un soufre exceptionnellement pur. autres déchetsAvec leur affinité électronique maximale de -200 kJ mol-1 et de -122 kJ mol-1, ils constituent un élément prometteur pour la construction de TENG haute performance. De plus, les SRP finaux peuvent être réutilisés par retraitement thermique sans détérioration critique de leurs propriétés mécaniques grâce à leur liaisons disulfures échangeables dynamiquement.
MXene – le nouveau nanomatériau
MXene est issu d'une nouvelle famille de Nanomatériaux 2D. Il a une Structure en feuille 2D Avec un rapport hauteur/largeur élevé, il possède une conductivité électrique métallique (5000 20,000 à 1 XNUMX S·cm-XNUMX). Le MXene possède également un noyau métallique et des groupes terminaux de surface à base d'oxyde et de fluor, qui lui confèrent des surfaces chargées négativement.
Les surfaces chargées négativement assurent une dispersion stable de Nanofeuilles de MXène en milieu aqueux. Ceci s'avère également avantageux dans les applications environnementales et les procédés de revêtement d'objets présentant une topographie 3D variable. Pour obtenir une dispersion stable en milieu aqueux et une conductivité électrique optimale, MXene ne nécessite pas réduction ou oxydation supplémentaire procédés.
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 MXene, qui contrôlait la connectivité de sa structure. De cette façon, la percolation électrique n'a pas été affectée. De plus, seulement 0.4 % en poids de MXene était nécessaire pour atteindre les performances de sortie les plus élevées en 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.
Selon les chercheurs du KIST, Production rentable d'hydrogène vert avec des MXènes actifs.
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 vulcanisation inverse de 75 % en poids de soufre élémentaire (S) avec 25 % en poids de 1,3-diisopropénylbenzène (DIB) comme comonomèreCela permet d'obtenir des fragments de SRP solidifiés, comme illustré dans l'image ci-dessous. De plus, pour éviter la recristallisation du soufre élémentaire, les chercheurs ont procédé à une post-cuisson des fragments de SRP pendant 10 minutes à 160 °C. Cela permet d'obtenir d'autres réactions des espèces n'ayant pas réagi.
Ainsi, des morceaux de SRP chimiquement stables ont été obtenus et pulvérisés sous forme de poudre sous la température de transition vitreuse (Tg) d'environ 17 °C. Les chercheurs ont utilisé un mélangeur commercial et de l'azote liquide pour le processus. Le rayon moyen de la surface projetée de la poudre SRP mesuré à partir d'images SEM 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.
Ensuite, pour fabriquer un film composite SRP/MXene intégré à une électrode AI, les chercheurs ont placé de la poudre SRP revêtue de MXene sur une feuille AI et pressé à chaud à 140° C pendant 2 minutes. Étant donné que les liaisons disulfures dans la matrice SRP peuvent s'échanger dynamiquement à 140° C, cela leur permet de former un film stable lorsqu'elles entrent en contact physique le long de leurs limites.
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.
Une augmentation de la teneur en MXene déclenche une percolation rhéologique lorsque distance entre les couches réparties sporadiquement est moindre. Lors du pressage à chaud, les chaînes polymères chargées de charges à haute rigidité à l'interface s'alignent partiellement. Il en résulte des fractions amorphes plus rigides.
À ce stade, il est facile à améliorer Le module d'élasticité des composites SRP/MXène. De plus, la percolation électrique peut être augmentée pour permettre l'interconnexion par contact physique, formant ainsi une structure en réseau 3D dans la matrice SRP. Cela conduit au 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.
Lorsque nous avons comparé le TENG basé sur MXene à mode de contact vertical et de séparation précédemment rapporté, le TENG basé sur SRP/MXene a montré des performances de sortie TENG supérieures ou comparables, y compris la densité de puissance, Vpic, et Ipic malgré l'utilisation d'une quantité significativement faible de 0.4 % en poids de MXene. En particulier, la densité par fréquence du TENG à base de SRP/MXene était d'environ 5.86 W·m−2 Hz−1.
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Rapports précédents sur SRP Construction
2019 – Les chercheurs ont introduit le concept d'utilisation du SRP pour construire un TENG haute performance en fluorant directement la surface du film SRP.
Inconvénients – Cette approche utilise du gaz F2 qui est inflammable et hautement toxique, ce qui met en danger la sécurité humaine et n’offre pas de durabilité environnementale.
2022 – Un mélange de polymères incorporant du poly(pentafluoropolystyrène) non volatil (PPFS) a été développé dans la matrice SRP pour répondre aux dangers liés au gaz F2. Ce TENG de 2e génération basé sur le SRP a également affiché de bonnes performances de sortie par rapport à celui de 1re génération. Il a également démontré une production d'énergie stable à 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 de PPFS est limitée à 7.5 % en poids. Les avantages des TENG durables à base de SRP sont réduits par l'utilisation de PPFS. La pollution environnementale par le PPFS persiste sans qu'aucune tentative de démonstration de sa réutilisabilité ne soit faite. Comme les pièces à base de fluor doivent être en surface pour que le TENG soit plus performant, son retraitement est devenu difficile.
2024 – Système composite SRP intégrant une infime quantité de Ti3C2Tx MXene comme nanocharge pour le développement de TENG durables et performants. Il répond efficacement aux limites des TENG SRP précédents.
Conclusion
Il est ainsi apparu clairement que cette approche permettait d'obtenir un composite riche en soufre efficace et durable avec MXene. 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 des éléments polluants, comme le soufre. De plus, ces films possèdent des liaisons disulfures échangeables dynamiquement, ce qui permet leur réutilisation. repulvérisation et traitement thermique Cette approche innovante devrait permettre de surmonter les limites du système précédent.
Contenu source: Nanogénérateur triboélectrique haute performance et durable basé sur un composite polymère riche en soufre avec une structure séparée en MXène
Source: Renseignements à l'appui
