Negli ultimi decenni, la raccolta di energia verde è stata oggetto di intense ricerche per raggiungere la neutralità carbonica. Il nanogeneratore triboelettrico (TENG) è un promettente sistema di raccolta di energia verde che utilizza l'energia meccanica a bassa frequenza, dispersa dal movimento ordinario, per produrre diversi oggetti. Fin dal suo sviluppo nel 2012, il TENG si è dimostrato molto utile. Recentemente, un team di ricercatori ha rielaborato il concetto precedente con un nuovo approccio, generando un composito ricco di zolfo ed efficiente, in combinazione con MXene.
Obiettivo dello studio : sviluppare nuovi materiali triboelettrici per la creazione di TENG ad alte prestazioni.
Composito ricco di zolfo efficiente e sostenibile con Mxene
Tuttavia, per quanto riguarda i materiali tribologici all'avanguardia per i TENG , oltre il 50% della ricerca attuale ha utilizzato fluoropolimeri, tra cui il politetrafluoroetilene (PTFE), l'etilene propilene fluorurato (FEP) e il polivinilidenfluoruro (PVDF).
Secondo la tavola periodica, il fluoro ha la più alta affinità elettronica (1328.2 kJ mol-1) e negatività elettronica (4.0). Ciò significa che può effettivamente ritirare elettroni da altri materiali e generare un'elevata densità di carica superficiale negativa.
Per questo motivo, i fluoropolimeri sono stati ampiamente utilizzati come strati di contatto a carica negativa per realizzare TENG. Nonostante siano benefici per il materiale, organizzazioni nazionali e ricerche contemporanee hanno emesso diversi avvertimenti contro l'uso di fluoropolimeri a causa della loro natura inquinante.
Punti Salienti
- I nanogeneratori triboelettrici o TENG utilizzano fluoropolimeri come materiali caricabili in serie triboelettrica.
- Le sostanze poli- e per-fluoroalchiliche (PFAS) presenti nei TENG vengono rilasciate nell'ambiente durante il loro ciclo di vita e causano inquinamento ambientale.
- Il composito SRP (polimero ricco di zolfo/MXene) è un'alternativa sostenibile che offre elevate prestazioni.
- Lo zolfo è uno scarto abbondante della raffinazione del petrolio e tra gli atomi polimerizzabili ha la più alta affinità elettronica, pari a circa −200 kJ mol−1.
- Meno dello 0.5% di MXene viene aggiunto a SRP per una distribuzione uniforme senza causare percolazione elettrica. Ciò porta a un aumento della costante dielettrica senza un grande aumento della perdita dielettrica.
- Con distribuzione omogenea di MXene, miglioramento del TENG nella tensione di picco (circa il 2.9%) e nella corrente di picco (circa il 19.5%) rispetto ai precedenti TENG basati su SRP.
- Grazie ai suoi legami disolfuro dinamicamente intercambiabili, dimostra anche la sua riutilizzabilità senza ridurre il modulo e le prestazioni del TEG.
- Una volta che la dimensione del wafer viene aumentata a 4 pollici, si verifica un aumento di circa 8.4 volte della densità di potenza di picco nei TENG basati su compositi SRP/MXene. Ciò raggiunge 3.80 W/m² rispetto ai precedenti TENG basati su SRP.
- Per la prima volta, i ricercatori hanno anche istituito un sistema di riciclaggio a circuito chiuso tra i TENG basati su SRP.
Per mitigare gli impatti negativi sull'ambiente e sulla salute umana, è necessario sviluppare polimeri ricchi di zolfo. Questi sono composti principalmente da 7 milioni di tonnellate di zolfo elementare derivato dal processo di idrodesolforazione della raffinazione del petrolio.
Durante il processo, lo zolfo elementare viene estratto dal gas solfuro di idrogeno (H2S) e risulta eccezionalmente puro rispetto ad altri rifiuti . Con la sua altissima affinità elettronica di -200 kJ mol-1 e affinità elettronica di -122 kJ mol-1, diventa un elemento promettente per la costruzione di TENG ad alte prestazioni. Inoltre, l'SRP esausto può essere riutilizzato mediante riprocessamento termico senza un deterioramento critico delle proprietà meccaniche grazie ai suoi legami disolfuro dinamicamente scambiabili.
MXene – il nuovo nanomateriale
L'MXene appartiene a una nuova famiglia di nanomateriali bidimensionali . Presenta una struttura lamellare bidimensionale con un elevato rapporto d'aspetto. Possiede una conduttività elettrica metallica (5000-20,000 S cm⁻¹). L'MXene ha inoltre un nucleo metallico e gruppi terminali superficiali a base di ossido e fluoro, che gli conferiscono superfici caricate negativamente.
Le superfici caricate negativamente garantiscono una dispersione stabile dei nanofogli di MXene in soluzioni acquose . Ciò si rivela ulteriormente vantaggioso nelle applicazioni ambientali e nei processi di rivestimento di oggetti con topografia 3D variabile. Per ottenere una dispersione stabile in soluzioni acquose e la conduttività elettrica, l'MXene non richiede ulteriori processi di riduzione o ossidazione.
Miglioramenti delle prestazioni di output TENG con MXene
La conduttività elettrica e la carica superficiale negativa di MXene sono responsabili dell'induzione di dipoli microscopici all'interfaccia tra la matrice polimerica e MXene. Ciò aumenta la costante dielettrica dei nanocompositi polimerici. Da varie ricerche, è stato evidente che il miglioramento della costante dielettrica dei nanocompositi polimerici ne migliora le prestazioni.
Inoltre, le prestazioni del TENG sono state migliorate regolando la quantità di MXene, che controlla la connettività della struttura dell'MXene. In questo modo, anche la percolazione elettrica non è stata influenzata. Inoltre, è stato sufficiente solo lo 0.4% in peso di MXene per ottenere le massime prestazioni di uscita nel TENG.
Inoltre, i ricercatori hanno implementato per loro il processo di scaling-up e la scarica corona. Ciò ha portato a un aumento della densità di potenza di picco di SRP/MXene TENG. Ciò consente loro di alimentare in modo efficiente l'elettronica commerciale come condensatori di carica e LED.
Secondo i ricercatori del KIST, Produzione di idrogeno verde economicamente vantaggiosa con MXeni attivi.
Processo di generazione di nanosfoglie di Ti3C2Tx MXene
La figura seguente mostra la sintesi di una soluzione acquosa di MXene Ti3C2Tx per esfoliare MXene a livello di singolo strato e quindi dispersa in acqua delonizzata. È facile disperdere stabilmente i nanosheet di MXene in mezzi acquosi grazie alla repulsione elettrostatica tra i nanosheet di MXene caricati negativamente.
La preparazione della matrice SRP prevede la vulcanizzazione inversa del 75% in peso di zolfo elementare (S) con il 25% in peso di 1,3-diisopropenilbenzene (DIB) come comonomero . Ciò consente di ottenere blocchi di SRP solidificati, come mostrato nell'immagine sottostante. Inoltre, per prevenire la ricristallizzazione dello zolfo elementare, i ricercatori hanno effettuato un trattamento termico sui blocchi di SRP per 10 minuti a 160 °C. Questo favorisce ulteriori reazioni delle specie non reagite.
Sono stati quindi ottenuti frammenti di SRP chimicamente stabili, polverizzati al di sotto della temperatura di transizione vetrosa ( Tg ) di circa 17 °C. I ricercatori hanno utilizzato un frullatore commerciale e azoto liquido per il processo. Il raggio medio dell'area proiettata della polvere di SRP, misurato dalle immagini SEM, è di 18.9 ± 14.4 µm.
Inoltre, la polvere SRP è stata completamente immersa nella soluzione acquosa di MXene tramite energica agitazione. Quindi i ricercatori l'hanno usata per rivestire efficacemente i nanosheet di MXene tramite autoassemblaggio tramite evaporazione di mezzi acquosi in condizioni di vuoto a temperatura ambiente di 25° C per 72 ore.
Per realizzare un film composito SRP/MXene integrato con un elettrodo di Al, i ricercatori hanno posizionato la polvere di SRP rivestita di MXene su un foglio di Al e l' hanno pressata a caldo a 140 °C per 2 minuti . Poiché i legami disolfuro nella matrice di SRP possono scambiarsi dinamicamente a 140 °C, ciò consente loro di formare un film stabile quando entrano in contatto fisico lungo i loro confini.
Pertanto, gli strati di MXene sono strettamente circondati e non presentano vuoti da una matrice SRP adiacente con legami disolfuro appena formati. Ciò garantisce uniformità e stabilità. Per raggiungere lo spessore target del film composito, i ricercatori hanno sistematicamente studiato l'effetto della temperatura sullo spessore del film.
Test di sweep di deformazione
Inoltre, i ricercatori devono verificare se le proprietà termomeccaniche sono state mantenute durante la polverizzazione e il passaggio a caldo. Per questo sono stati eseguiti test di strain sweep sui film compositi utilizzando MXene allo 0.8% in peso (che era il contenuto di MXene più elevato). Sono stati eseguiti 7 test di strain sweep consecutivi con pause di 2 minuti tra l'uno e l'altro.
Per esplorare oltre le regioni viscoelastiche lineari che inducono la distruzione strutturale, sono state applicate deformazioni che vanno dallo 0.01% al 100% a ogni test. Ciò era necessario per il recupero delle proprietà termomeccaniche tramite scambio di legami dinamico.
Il modulo dei film compositi SRP/MXene è stato recuperato con successo durante queste pause di 2 minuti. Quindi, questi film compositi sono stati utilizzati per sviluppare il dispositivo TENG che può essere utilizzato per il contatto verticale e la separazione.
L'effetto Tyndall del Ti3C2Tx MXene
I ricercatori hanno anche confermato l'effetto Tyndall con una concentrazione di 0.02 mg mL-1 irradiata con un laser verde generalmente disponibile. L'effetto Tyndall si verifica tramite distribuzione uniforme di nanosfoglie di MXene in una soluzione acquosa, che porta ulteriormente alla diffusione della luce.
Secondo una ricerca, le corde di nanotubi di carbonio offrono maggiori possibilità di accumulo di energia rispetto alle batterie al litio.
Caratteristiche dei nanosfoglie di MXene sintetizzati
Il nanosheet sintetizzato ha le seguenti caratteristiche:
- Conduttività elettrica – 8,381 ± 319 S cm−1 (misurata da una sonda a quattro punti)
- Dimensioni laterali – 3.0 ± 2.3 µm (misurate tramite microscopia elettronica a scansione)
- Altezza: inferiore a 2 nm (misurata mediante microscopia a forza atomica), che indica un elevato rapporto di aspetto dell'esfoliazione a livello monostrato.
La tabella seguente presenta una panoramica riassuntiva della composizione atomica dell'MXene ottenuta tramite misurazione mediante spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS).
| Percentuale atomica (%) | |
| C1s | 22.47 |
| F 1 | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Come mostra la figura seguente, la maggiore area superficiale della polvere SRP è stata ottenuta tramite una maggiore concentrazione di soluzione acquosa di MXene. Un basso contenuto di MXene non comporta alcuna percolazione nei film compositi, poiché vi è una distanza sostanziale tra gli strati di MXene assemblati.
Un aumento del contenuto di MXene innesca la percolazione reologica poiché la distanza tra gli strati distribuiti in modo sporadico è minore. Durante la pressatura a caldo, le catene polimeriche con riempitivi ad alta rigidità all'interfaccia si allineano parzialmente. Ciò si traduce in frazioni amorfe più rigide.
In questa fase, è facile aumentare il modulo elastico dei compositi SRP/MXene. Inoltre, è possibile incrementare anche la percolazione elettrica per interconnettere tramite contatto fisico, formando una struttura tridimensionale a rete nella matrice SRP. Ciò porta allo sviluppo di percorsi conduttivi che si estendono dall'alto verso il basso attraverso lo spessore dei film compositi SRP/MXene.
Distribuzione uniforme con struttura segregata
- Il colore scuro della polvere SRP rivestita con MXene è dovuto all'aumento del contenuto di MXene.
- Successivamente, all'aumentare del contenuto di MXene si è registrato un aumento dell'intensità del picco del gruppo idrossilico (OH) (3,430 cm−1), confermato dagli spettri infrarossi a trasformata di Fourier (FT-IR).
- Inoltre, non è stato osservato alcuno spostamento di picco, il che suggerisce chiaramente interazioni tra MXene e SRP. Le immagini SEM trasversali (sezione luminosa) mostrano l'aumentata connettività tra gli strati di MXene man mano che il suo contenuto aumenta.
- La figura e dimostra una correlazione lineare tra una frazione in peso di atomi di Ti e contenuti di MXene applicati. La figura successiva mostra le strutture segregate, la lacunarità e la dimensione frattale degli stati distribuiti di MXene.
La descrizione dell'immagine seguente è la seguente (in ordine alfabetico):
- Immagini digitali di polvere SRP rivestita di MXene (i) e film composito SRP/MXene con contenuto di MXene variabile (ii)
- Immagini SEM trasversali di film SEP/MXene con contenuto di MXene variabile.
- Immagini di mappatura atomica EDS trasversale con 0.8% in peso di MXene.
- Le immagini della sezione trasversale SEM ad alta magnitudine e della mappatura atomica mostrano film compositi con MXene allo 0.4%.
- Frazione in peso dell'atomo di Ti nel film SRP/MXene in base al contenuto di MXene.
- Dimensione frazionaria e lacunarità della struttura segregata rispetto al contenuto (MXene).
- Modulo di immagazzinamento nella regione del plateau gommoso e tan max del film composito con contenuti variabili di MXene.
Proprietà dielettriche del film composito SRP/MXene
Dalla figura seguente, possiamo vedere diversi meccanismi di polarizzazione di film SRP ordinati e film compositi SRP/MXene sotto campo elettrico esterno. A differenza dei film SRP ordinati, qui le cariche di polarizzazione si accumulano all'interfaccia tra SRP e MXene.
Una maggiore elettronegatività è stata osservata nei gruppi terminali dello strato. È maggiore dello zolfo e del carbonio presenti nella matrice SRP. A causa di ciò, la densità elettronica dalla matrice SRP viene ritirata sulla superficie degli strati MXene. Pertanto, i film compositi possono generare una carica netta totale maggiore sotto il campo elettrico esterno a causa della carica accumulata in aggiunta.
Avete letto come , secondo una ricerca dell'OSU, i MOF possono incrementare la produzione fotocatalitica di idrogeno con un rendimento quantico del 10%?
Prestazioni di output dei film compositi SRP/MXene (12.5 cm2)
La figura seguente illustra le prestazioni di output basate su film compositi SRP/MXene. I ricercatori misurano la tensione di picco e la corrente di picco dei TENG per investigare sistematicamente le loro prestazioni di output.
I film compositi realizzati con SRP/MXene applicato presentano le seguenti caratteristiche.
- Spessore medio – 150 μm
- Area attiva – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Frequenza di contatto e separazione – 30N e 0.65 Hz
- Tuttavia, quando il contenuto di MXene aumenta dallo 0 al 4% in peso, si è verificato un aumento sia della tensione di picco da 68.8 ± 4.5 sia di Ipeak da 2.5 ± μA a 161.0 ± 20.0 V e 8.1 ± 1.0 μA.
Come previsto, le prestazioni di output triboelettriche erano elevate nel TENG composito SRP/MXene con 0.4% in peso. Successivamente, un parametro nelle prestazioni di output TENG era lo spessore dello strato di contatto. Quando era inferiore al valore ottimizzato e la superficie carica era troppo vicina all'elettrodo AI, generava cariche negative sui film compositi.
Mentre, quando lo spessore era più che ottimale, non veniva generata una carica positiva perché il campo elettrico decadeva con la distanza. Quindi, lo spessore ottimale è stato misurato essere ≈500 μm.
Stabilità operativa a lungo termine
Con test di generazione di energia di 24 ore, i ricercatori hanno verificato la stabilità operativa a lungo termine dei TENG basati su compositi SRP/MXene. È stata registrata una generazione di energia stabile senza riduzioni significative di Vpeak e Ipeak durante le 24 ore.
Inoltre, la distribuzione uniforme di MXene induce un'ampia area interfacciale tra MXene e SRP, consentendo le notevoli prestazioni TENG.
Decifrare la sostenibilità del TENG basato su compositi MXene/SRP
I ricercatori lo hanno dimostrato sperimentalmente utilizzando un intero processo di riciclaggio a circuito chiuso.
- Per prima cosa hanno rimosso l'elettrodo in lamina AI fisicamente attaccato al film composito
- Successivamente la pellicola è stata polverizzata al di sotto della Tg con azoto liquido.
- Successivamente è stato essiccato sotto vuoto per evitare la condensazione dell'umidità.
- Poi hanno rielaborato il composito SRP/MXene ripolverizzato polvere in una pellicola mediante pressatura a caldo nelle condizioni di preparazione iniziali.
- Anche in questo caso, la pellicola riciclata è stata utilizzata per sviluppare dispositivi TENG.
Caratteristiche del film composito MXene/SRP riciclato
- Cambiamenti trascurabili nell'aspetto e nel colore
- Il plateau di gomma è rimasto costante e non si è verificato alcun deterioramento (dopo aver riciclato la pellicola 4 volte)
- Sono stati mantenuti anche Vpeak e Ipeak.
Per migliorare le prestazioni di output: scarica corona e aumento di scala di MXene/SRP (81.1 cm2)
Dopo la scarica corona, il potenziale di superficie dei film compositi con 0.4% in peso è stato notevolmente migliorato. I ricercatori hanno iniettato artificialmente gli elettroni generati nella superficie dello strato di contatto. Il film composito SRP/MXene è stato ridimensionato fino a wafer da 4 pollici per dimostrare la sua portata per varie applicazioni su larga scala.
Su scala più ampia, il TENG ha rispettivamente Vpeak (1,717.7 V) e Ipeak (129.0 μA), che sono circa 3.6, ovvero 4.4 volte superiori a quelli misurati prima della scarica a corona.
I ricercatori hanno notato che alla resistenza di carico di 8 mΩ, la densità di potenza di picco ha raggiunto 3.80 W m-2. Si tratta di un aumento di 8.4 volte rispetto al precedente set registrato dai TENG basati su miscele SRP/PPFS. Inoltre, l'assistenza di carico richiesta è stata ridotta di un fattore di 12.5 rispetto ai vecchi record.
Rispetto ai TENG a base di MXene con modalità di contatto verticale e separazione precedentemente riportati, il TENG a base di SRP/MXene ha mostrato prestazioni di uscita superiori o comparabili, inclusi densità di potenza, V picco e I picco, nonostante l'utilizzo di una quantità significativamente ridotta di MXene pari allo 0.4% in peso. In particolare, la densità per frequenza del TENG a base di SRP/MXene era di circa 5.86 W m−2 Hz−1.
Una ricerca ha rivelato che è possibile sviluppare un fertilizzante atmosferico ecologico a partire da batteri marini viola tritati.
Rapporti precedenti sulla costruzione SRP
2019 – I ricercatori hanno introdotto il concetto di utilizzo di SRP per la costruzione di un TENG ad alte prestazioni mediante fluorurazione diretta della superficie del film di SRP.
Svantaggi : questo approccio utilizza gas F2, che è infiammabile e altamente tossico, mettendo a rischio la sicurezza umana e non offrendo sostenibilità ambientale.
2022 – È stata sviluppata una miscela polimerica contenente poli(pentafluoropolistirene) non volatile, o PPFS, all'interno della matrice SRP per far fronte ai pericoli associati al gas F2. Questo TENG di seconda generazione basato su SRP ha inoltre mostrato buone prestazioni di output rispetto a quello di prima generazione. Ha inoltre dimostrato una generazione di energia stabile a lungo termine.
Questo miglioramento è stato ottenuto grazie a un nuovo design di elaborazione che ha permesso alle superfici ricche di PPFS di localizzarsi tramite separazione di fase durante l'elaborazione termica della pellicola.
Svantaggi : l'uso di PPFS è limitato al 7.5% in peso. I vantaggi dei TENG sostenibili basati su SRP vengono vanificati dall'uso di PPFS. L'inquinamento ambientale causato dal PPFS rimane invariato senza che siano stati fatti tentativi per dimostrarne la riutilizzabilità. Poiché le parti a base di fluoro devono essere in superficie affinché il TENG funzioni al meglio, il riprocessamento risulta difficoltoso.
2024 – Sistema composito SRP che incorpora una minima quantità di Ti3C2Tx MXene come nanofiller per lo sviluppo di TENG sostenibili e ad alte prestazioni. Risolve efficacemente i limiti dei precedenti TENG basati su SRP.
Conclusione
In questo modo è diventato più chiaro che questo approccio ha permesso di realizzare un composito ricco di zolfo efficiente e sostenibile con MXene. Ha dimostrato un'elevata densità di potenza e un riciclo a ciclo chiuso senza compromettere le prestazioni del dispositivo TENG. Il TENG è considerato ecocompatibile perché utilizza un elemento di scarto, lo zolfo. Inoltre, questi film presentano legami disolfuro dinamicamente scambiabili, grazie ai quali possono essere riutilizzati mediante ripolverizzazione e trattamento termico . Si prevede che questo approccio innovativo supererà i limiti del sistema precedente.
Contenuto originale : Nanogeneratore triboelettrico ad alte prestazioni ma sostenibile basato su un composito polimerico ricco di zolfo con struttura segregata di MXene
Fonte : Informazioni di supporto
