Het oogsten van groene energie is de afgelopen decennia een belangrijk onderzoeksgebied geweest om koolstofneutraliteit te bereiken. Tribo-elektrische nanogeneratoren (TENG's) zijn veelbelovende groene energiebronnen die laagfrequente mechanische energie, die vrijkomt bij gewone bewegingen, gebruiken om diverse producten op te wekken. Sinds de ontwikkeling ervan in 2012 wordt de TENG als zeer nuttig beschouwd. Recentelijk heeft een onderzoeksteam hun eerdere concept verder ontwikkeld met een nieuwe aanpak en een efficiënt en duurzaam zwavelrijk composiet met MXene gecreëerd.
Doel van de studie – Het ontwikkelen van nieuwe tribomaterialen voor het creëren van hoogwaardige TENG's.
Efficiënte en duurzame zwavelrijke composiet met Mxene
Wat betreft de meest geavanceerde tribomaterialen voor TENG's , is in meer dan 50% van het huidige onderzoek gebruikgemaakt van fluorpolymeren, waaronder polytetrafluorethyleen (PTFE), gefluoreerd ethyleenpropyleen (FEP) en polyvinylideenfluoride (PVDF).
Volgens het periodiek systeem heeft fluor de hoogste elektronenaffiniteit (1328.2 kJ mol-1) en elektronennegativiteit (4.0). Dit betekent dat ze effectief elektronen uit andere materialen kunnen onttrekken en een hoge negatieve oppervlakteladingsdichtheid kunnen genereren.
Hierdoor zijn fluorpolymeren op grote schaal gebruikt als negatief geladen contactlagen voor het maken van TENG's. Ondanks dat ze gunstig zijn voor het materiaal, hebben nationale organisaties en hedendaags onderzoek verschillende waarschuwingen afgegeven tegen het gebruik van fluorpolymeren vanwege hun vervuilende aard.
Hoogtepunten
- Tribo-elektrische nanogeneratoren of TENG's gebruiken fluorpolymeren als oplaadbare materialen in tribo-elektrische series.
- De in TENG's aanwezige poly- en perfluoralkylstoffen (PFAS) komen tijdens hun levenscyclus in het milieu terecht en veroorzaken milieuvervuiling.
- SRP of zwavelrijk polymeer/MXene-composiet is een duurzaam alternatief dat hoge prestaties biedt.
- Zwavel is een veelvoorkomend afvalproduct van de raffinage van benzine en heeft van de polymeriseerbare atomen de hoogste elektronenaffiniteit van ongeveer -200 kJ mol−1.
- Minder dan 0.5% MXene wordt toegevoegd aan SRP voor een gelijkmatige verdeling zonder elektrische percolatie te veroorzaken. Dit leidt tot een toename van de diëlektrische constante zonder veel toename van diëlektrisch verlies.
- Dankzij de homogene MXene-distributie verbetert TENG de piekspanning (ongeveer 2.9%) en piekstroom (ongeveer 19.5%) in vergelijking met eerdere SRP-gebaseerde TENG's.
- Dankzij de dynamische uitwisselbare disulfidebindingen is het bovendien herbruikbaar zonder dat de modulus en de TEG-prestaties hierdoor afnemen.
- Zodra de wafergrootte wordt vergroot tot 4 inch, is er een toename van ongeveer 8.4 keer in piekvermogensdichtheid in SRP/MXene composiet-gebaseerde TENG. Dit bereikt 3.80 W/m² in vergelijking met eerdere TENG's op basis van SRP.
- Voor het eerst hebben onderzoekers ook een gesloten recyclingsysteem opgezet voor SRP-gebaseerde TENG's.
Om de negatieve gevolgen voor het milieu en de menselijke gezondheid te beperken, moeten zwavelrijke polymeren worden ontwikkeld. Deze polymeren bestaan voornamelijk uit 7 miljoen ton elementaire zwavel, afkomstig van het hydroontzwavelingsproces bij de raffinage van aardolie.
Tijdens het proces wordt elementaire zwavel gewonnen uit waterstofsulfide (H₂S)-gas, wat resulteert in een uitzonderlijk zuivere zwavel in vergelijking met andere afvalstoffen . Met een hoge elektronenaffiniteit van -200 kJ mol⁻¹ en een elektronenaffiniteit van -122 kJ mol⁻¹ is het een veelbelovend element voor de constructie van hoogwaardige TENG's (Triboelectric Nanogenerators). Bovendien kan het gebruikte zwavelresidu (SRP) door thermische herverwerking worden hergebruikt zonder dat de mechanische eigenschappen ernstig verslechteren, dankzij de dynamisch uitwisselbare disulfidebindingen.
MXene – het nieuwe nanomateriaal
MXene behoort tot een nieuwe familie van 2D-nanomaterialen . Het heeft een 2D-plaatachtige structuur met een hoge aspectverhouding. Het bezit een metallische elektrische geleidbaarheid (5000-20,000 S cm⁻¹). MXene heeft ook een metallische kern en op oxide en fluor gebaseerde eindgroepen aan het oppervlak, waardoor het negatief geladen oppervlakken heeft.
Negatief geladen oppervlakken zorgen voor een stabiele verspreiding van MXene-nanovellen in waterige media . Dit is bovendien voordelig voor milieutoepassingen en coatingprocessen voor objecten met een variërende 3D-topografie. Om een stabiele verspreiding in waterige media en elektrische geleidbaarheid te bereiken, vereist MXene geen aanvullende reductie- of oxidatieprocessen.
Verbeteringen in TENG-uitvoerprestaties met MXene
Elektrische geleidbaarheid en negatieve oppervlaktelading van MXene zijn verantwoordelijk voor het induceren van microscopische dipolen op de interface tussen de polymeermatrix en MXene. Dit verhoogt de diëlektrische constante van polymeer nanocomposieten. Uit verschillende onderzoeken is gebleken dat het verbeteren van de diëlektrische constante van polymeer nanocomposieten hun prestaties verbetert.
Verder werd de prestatie van de TENG verbeterd door de hoeveelheid MXene aan te passen, waarmee de connectiviteit van de MXene-structuur werd geregeld. Op deze manier werd de elektrische percolatie niet beïnvloed. Bovendien was slechts 0.4 gewichtsprocent MXene nodig om de hoogste outputprestatie in de TENG te bereiken.
Bovendien implementeerden onderzoekers het opschalingsproces en corona-ontlading voor hen. Het resulteerde in een toename van de piekvermogensdichtheid van SRP/MXene TENG. Hierdoor kunnen ze commerciële elektronica zoals laadcondensatoren en LED's efficiënt van stroom voorzien.
Volgens onderzoekers van KIST is er sprake van kosteneffectieve productie van groene waterstof met actieve MXenes.
Proces voor het genereren van Ti3C2Tx MXene nanosheets
De volgende afbeelding toont de synthese van een Ti3C2Tx MXene waterige oplossing om MXene op het niveau van de enkele laag te exfoliëren en vervolgens te dispergeren in gedeloniseerd water. Het is eenvoudig om MXene nanosheets stabiel te dispergeren in waterige media vanwege elektrostatische afstoting tussen negatief geladen MXene nanosheets.
De bereiding van de SRP-matrix omvat inverse vulkanisatie van 75 gewichtsprocent elementaire zwavel (S) met 25 gewichtsprocent 1,3-diisopropenylbenzeen (DIB) als comonomeer . Dit maakt het mogelijk om gestolde SRP-brokken te verkrijgen, zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding. Om herkristallisatie van elementaire zwavel te voorkomen, hebben onderzoekers de SRP-brokken bovendien 10 minuten lang gebakken bij 160 °C. Dit helpt bij het verder laten reageren van de niet-gereageerde stoffen.
Zo werden chemisch stabiele SRP-brokken verkregen en verpulverd tot poeder bij de glasovergangstemperatuur ( Tg ) van ≈17 °C. De onderzoekers gebruikten hiervoor een commerciële blender en vloeibare stikstof. De gemiddelde straal van het geprojecteerde oppervlak van het SRP-poeder, gemeten aan de hand van SEM-afbeeldingen, bedraagt 18.9 ± 14.4 µm.
Verder werd SRP-poeder volledig ondergedompeld in MXene-waterige oplossing door middel van krachtig schudden. Vervolgens gebruikten onderzoekers het om MXene-nanosheets effectief te coaten door zelfassemblage via verdamping van waterige media onder vacuümomstandigheden bij kamertemperatuur 25° C gedurende 72 uur.
Om vervolgens een AI-elektrode-geïntegreerde SRP/MXene-composietfilm te maken, plaatsten onderzoekers MXene-gecoat SRP-poeder op AI-folie en persten dit gedurende 2 minuten bij 140 °C . Omdat de disulfidebindingen in de SRP-matrix dynamisch kunnen uitwisselen bij 140 °C, kunnen ze een stabiele film vormen wanneer ze fysiek met elkaar in contact komen langs hun grenzen.
MXene-lagen worden dus strak omgeven en hebben geen holtes door een aangrenzende SRP-matrix met nieuw gevormde disulfidebindingen. Dit zorgt voor uniformiteit en stabiliteit. Om de beoogde dikte van de composietfilm te bereiken, onderzochten onderzoekers systematisch het effect van temperatuur op de filmdikte.
Spanningsveegtesten
Daarnaast moeten onderzoekers controleren of de thermomechanische eigenschappen behouden bleven tijdens het verpulveren en hete passage. Hiervoor werden rek-sweeptesten uitgevoerd op de composietfilms met 0.8 gew.% MXene (wat het hoogste MXene-gehalte in de inhoud was). Er werden 7 opeenvolgende rek-sweeptesten uitgevoerd met pauzes van 2 minuten ertussen.
Om verder te kijken dan lineaire visco-elastische regio's die structurele vernietiging veroorzaken, werden bij elke test spanningen van 0.01% tot 100% toegepast. Dit was nodig voor het herstel van thermomechanische eigenschappen door middel van dynamische bindingsuitwisseling.
De modulus van de SRP/MXene-composietfilms werd succesvol hersteld tijdens deze pauzes van 2 minuten. Vervolgens werden deze composietfilms gebruikt om het TENG-apparaat te ontwikkelen dat kan worden gebruikt voor verticaal contact en scheiding.
Het Tyndall-effect van Ti3C2Tx MXene
Onderzoekers bevestigden ook het Tyndall-effect met een concentratie van 0.02 mg mL-1 bestraald onder een algemeen beschikbare groene laser. Het Tyndall-effect treedt op door gelijkmatige verdeling van MXene nanosheets in een waterige oplossing, wat verder leidt tot lichtverstrooiing.
Onderzoek toont aan dat koolstofnanobuisjes in touwen meer energie opslaan dan lithiumbatterijen.
Kenmerken van gesynthetiseerde MXene-nanosheets
Het gesynthetiseerde nanoblad heeft de volgende kenmerken:
- Elektrische geleidbaarheid – 8,381 ± 319 S cm−1 (gemeten met een vierpuntssonde)
- Laterale grootte – 3.0 ± 2.3 µm (gemeten via scanning elektronenmicroscopie)
- Hoogte – minder dan 2 nm (gemeten met behulp van atoomkrachtmicroscopie), wat duidt op een hoge aspectverhouding van exfoliatie op monolaagniveau.
De onderstaande tabel geeft een samenvattend overzicht van de atomaire samenstelling van MXene, verkregen uit röntgenfoto-elektronenspectroscopie (XPS)-meting.
| Atomair percentage (%) | |
| C 1s | 22.47 |
| F1's | 17.21 |
| O 1's | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Zoals de volgende afbeelding laat zien, werd het grotere oppervlak van SRP-poeder bereikt door een hogere concentratie MXene-waterige oplossing. Een laag MXene-gehalte leidt tot geen percolatie in de composietfilms, omdat er een aanzienlijke afstand is tussen de geassembleerde MXene-lagen.
Een toename van het MXene-gehalte veroorzaakt reologische percolatie doordat de afstand tussen de sporadisch verdeelde lagen kleiner wordt. Tijdens het warmpersen lijnen polymeerketens met zeer stijve vulstoffen aan het grensvlak zich gedeeltelijk uit. Dit resulteert in stijvere amorfe fracties.
In dit stadium is het eenvoudig om de elasticiteitsmodulus van SRP/MXene-composieten te verhogen. Ook kan de elektrische percolatie worden verbeterd door middel van fysiek contact, waardoor een 3D-netwerkachtige structuur in de SRP-matrix ontstaat. Dit leidt tot de ontwikkeling van geleidende paden die zich van boven naar beneden door de dikte van de SRP/MXene-composietfilms uitstrekken.
Uniforme verdeling met gescheiden structuur
- De donkere kleur van het met MXene gecoate SRP-poeder wordt veroorzaakt door het verhoogde MXene-gehalte.
- Vervolgens nam de intensiteit van de hydroxylgroep (OH) piek (3,430 cm−1) toe naarmate het MXene-gehalte toenam. Dit werd bevestigd door Fourier-transformatie-infrarood (FT-IR) spectra.
- Ook werd er geen piekverschuiving waargenomen, wat duidelijk interacties tussen MXene en SRP suggereert. Cross-sectionele SEM-afbeeldingen (heldere sectie) tonen de toegenomen connectiviteit tussen lagen van de MXene naarmate de inhoud ervan toeneemt.
- Figuur e toont een lineaire correlatie tussen een gewichtsfractie van Ti-atomen en toegepaste MXene-inhoud. De volgende figuur toont de gescheiden structuren, lacunariteit en fractale dimensie van gedistribueerde toestanden van MXene.
De beschrijving van de volgende afbeelding is als volgt (alfabetische volgorde):
- Digitale beelden van MXene-gecoat SRP-poeder (i) en SRP/MXene-composietfilm met gevarieerd MXene-gehalte (ii)
- SEM-dwarsdoorsnedebeelden van SEP/MXene-films met wisselend MXene-gehalte.
- Dwarsdoorsnede EDS-atomaire mappingbeelden met 0.8 gew.% MXene.
- De SEM-dwarsdoorsnede- en atomaire mappingbeelden met hoge magnitude tonen samengestelde films met 0.4% MXene.
- Gewichtsfractie van Ti-atoom in SRP/MXene-film als MXene-inhoudsfunctie.
- Fractionele dimensie en lacunariteit van gescheiden structuur versus inhoud (MXene).
- Opslagmodulus in het rubberplateaugebied en tan max van de composietfilm met variërende MXene-gehaltes.
Diëlektrische eigenschappen van SRP/MXene-composietfilm
Uit de volgende afbeelding kunnen we verschillende polarisatiemechanismen van nette SRP-films en SRP/MXene-composietfilms onder extern e-veld zien. In tegenstelling tot nette SRP-films, hopen polarisatieladingen zich hier op bij de interface tussen de SRP en MXene.
Hogere elektronegativiteit werd waargenomen in terminale groepen van de laag. Het is meer dan zwavel en koolstof aanwezig in de SRP-matrix. Hierdoor wordt de elektronendichtheid van de SRP-matrix teruggetrokken naar het oppervlak van MXene-lagen. Zo kunnen de composietfilms een hogere totale nettolading genereren onder het externe e-veld vanwege extra geaccumuleerde lading.
Heb je gelezen hoe MOF de fotokatalytische waterstofproductie kan stimuleren met een kwantumrendement van 10%, aldus onderzoek van OSU?
Uitvoerprestaties van SRP/MXene-composietfilms (12.5 cm2)
De volgende afbeelding toont de outputprestaties op basis van SRP/MXene-composietfilms. Onderzoekers meten de piekspanning en piekstroom van de TENG's om hun outputprestaties systematisch te onderzoeken.
De samengestelde folies van aangebracht SRP/MXene hebben de volgende eigenschappen.
- Gemiddelde dikte – 150 μm
- Actief gebied – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Frequentie van contact en scheiding – 30N en 0.65 Hz
- Maar naarmate het MXene-gehalte steeg van 0 naar 4 gew.%, nam zowel de piekspanning toe van 68.8 ± 4.5 als Ipeak van 2.5 ± tot μA tot 161.0 ± 20.0 V en 8.1 ± 1.0 μA.
Zoals verwacht was de tribo-elektrische outputprestatie hoog in SRP/MXene composiet-gebaseerde TENG met 0.4 wt%. Vervolgens was een parameter in TENG outputprestatie de dikte van de contactlaag. Wanneer deze kleiner was dan de geoptimaliseerde waarde en het geladen oppervlak te dicht bij de AI-elektrode lag, genereerde het negatieve ladingen op de composietfilms.
Terwijl, wanneer de dikte meer dan optimaal was, er geen positieve lading werd gegenereerd omdat het elektrische veld afnam met de afstand. De optimale dikte werd dus gemeten als ≈500 μm.
Langetermijn operationele stabiliteit
Met 24-uurs stroomopwekkingstesten controleerden onderzoekers de operationele stabiliteit op lange termijn van de SRP/MXene composiet-gebaseerde TENG's. Stabiele stroomopwekking zonder significante reducties in Vpeak en Ipeak werden gedurende 24 uur geregistreerd.
Bovendien zorgt de uniforme MXene-verdeling voor een groot grensvlak tussen MXene en SRP, wat de opmerkelijke TENG-prestaties mogelijk maakt.
De duurzaamheid van MXene/SRP Composite-gebaseerde TENG ontcijferen
Onderzoekers hebben dit experimenteel aangetoond met behulp van een volledig gesloten recyclingproces.
- Eerst verwijderden ze de fysiek bevestigde AI-folie-elektrode van de composietfilm
- Vervolgens werd de film verpulverd tot onder de Tg met vloeibare stikstof.
- Vervolgens werd het vacuümgedroogd om condensatie van vocht te voorkomen.
- Vervolgens hebben ze de opnieuw verpulverd SRP/MXene composiet poeder tot een film door het onder de oorspronkelijke bereidingsomstandigheden warm te persen.
- Opnieuw werd de gerecyclede folie gebruikt om TENG-apparaten te ontwikkelen.
Kenmerken van gerecyclede MXene/SRP-composietfolie
- Verwaarloosbare veranderingen in uiterlijk en kleur
- Het rubberplateau bleef constant en er was geen sprake van verslechtering (na 4 keer recyclen van de film)
- Ook de Vpeak en Ipeak bleven behouden.
Om de outputprestaties te verbeteren: corona-ontlading en opschaling van MXene/SRP (81.1 cm2)
Na corona-ontlading werd het oppervlaktepotentieel van de composietfilms met 0.4 gew.% aanzienlijk verbeterd. Onderzoekers injecteerden de gegenereerde elektronen kunstmatig in het oppervlak van de contactlaag. De SRP/MXene-composietfilm werd opgeschaald naar 4-inch wafers om de reikwijdte ervan voor verschillende grootschalige toepassingen te demonstreren.
Opgeschaald heeft TENG respectievelijk Vpeak (1,717.7 V) en Ipeak (129.0 μA), wat ongeveer ≈3.6 is en daarmee 4.4 keer hoger dan de waarden die vóór de corona-ontlading zijn gemeten.
Onderzoekers merkten op dat bij de 8 mΩ belastingsweerstand de piekvermogensdichtheid 3.80 W m-2 bereikte. Dit is een 8.4-voudige toename ten opzichte van de vorige geregistreerde set door SRP/PPFS blend-gebaseerde TENG's. Bovendien werd de vereiste belastingsassistentie met een factor 12.5 verminderd in vergelijking met oude records.
In vergelijking met eerder gerapporteerde MXene-gebaseerde TENG's met verticale contact- en scheidingsmodus, vertoonde de SRP/MXene-gebaseerde TENG superieure of vergelijkbare prestaties op het gebied van TENG-output, waaronder vermogensdichtheid, Vpiek en Ipiek , ondanks het gebruik van een aanzienlijk kleine hoeveelheid van 0.4 gewichtsprocent MXene. Met name de vermogensdichtheid per frequentie van de SRP/MXene-gebaseerde TENG bedroeg ongeveer 5.86 W m−2 Hz−1.
Uit onderzoek is gebleken dat het mogelijk is om milieuvriendelijke luchtbemesting te ontwikkelen uit gemalen paarse zeebacteriën.
Eerdere rapporten over SRP-constructie
2019 – Onderzoekers introduceerden het concept van het gebruik van SRP voor de constructie van een hoogwaardige TENG door het oppervlak van de SRP-film rechtstreeks te fluorineren.
Nadelen – Deze aanpak maakt gebruik van F2-gas, dat brandbaar en zeer giftig is, wat de menselijke veiligheid in gevaar brengt en niet bijdraagt aan de duurzaamheid van het milieu.
2022 – Er werd een polymeerblend ontwikkeld met niet-vluchtig poly(pentafluorpolystyreen) of PPFS in de SRP-matrix om de gevaren van F2-gas te beperken. Deze tweede generatie SRP-gebaseerde TENG vertoonde ook goede prestaties in vergelijking met de eerste generatie. Bovendien bleek de energieopwekking langdurig stabiel.
Deze verbetering kwam tot stand door een nieuw verwerkingsontwerp waarmee PPFS-rijke oppervlakken zich konden lokaliseren door fasescheiding tijdens thermische filmverwerking.
Nadelen – Het gebruik van PPFS is beperkt tot 7.5 gewichtsprocent. De voordelen van duurzame SRP-gebaseerde TENG's worden tenietgedaan door het gebruik van PPFS. Milieuvervuiling door PPFS blijft een probleem, zonder dat er pogingen zijn gedaan om de herbruikbaarheid aan te tonen. Omdat fluorhoudende onderdelen aan de oppervlakte moeten zitten voor een betere werking van de TENG, maakt dit herverwerking lastig.
2024 – SRP-composietsysteem met een minuscule hoeveelheid Ti3C2Tx MXene als nanofiller voor de ontwikkeling van duurzame en hoogwaardige TENG's. Dit systeem pakt de beperkingen van eerdere op SRP gebaseerde TENG's effectief aan.
Conclusie
Op deze manier werd duidelijk dat deze aanpak een efficiënt en duurzaam zwavelrijk composiet met MXene opleverde. Het vertoonde een hoge vermogensdichtheid en een gesloten-lusrecyclingsysteem zonder dat dit ten koste ging van de prestaties van het TENG-apparaat. TENG wordt als milieuvriendelijk beschouwd omdat het gebruikmaakt van afvalelementen zoals zwavel. Bovendien hebben deze films dynamisch uitwisselbare disulfidebindingen, waardoor ze hergebruikt kunnen worden door ze te verpulveren en thermisch te verwerken . Deze innovatieve aanpak zal naar verwachting de beperkingen van het voorgaande systeem overwinnen.
Bron : Aanvullende informatie
