W ciągu ostatnich dziesięcioleci prowadzono aktywne badania nad pozyskiwaniem zielonej energii w celu osiągnięcia neutralności węglowej. Nanogenerator tryboelektryczny lub TENG to obiecujący zielony zbieracz energii, który wykorzystuje niskoczęstotliwościową energię mechaniczną marnowaną podczas zwykłego ruchu do produkcji wielu rzeczy. Od czasu swojego rozwoju w 2012 r. TENG był uważany za bardzo użyteczny. Niedawno zespół badaczy pracował nad swoim poprzednim konceptem, stosując nowe podejście i wygenerował wydajny i zrównoważony kompozyt bogaty w siarkę z MXene.
Cel badania – Opracowanie nowych materiałów trybologicznych do tworzenia wysokowydajnych ogniw TENG.
Wydajny i zrównoważony kompozyt bogaty w siarkę z Mxene
Jeśli chodzi jednak o stan wiedzy technicznej materiały tryboelektryczne dla TENGPonad 50% obecnych badań wykorzystuje fluoropolimery, w tym politetrafluoroetylen (PTFE), fluorowany kopolimer etylenu i propylenu (FEP) oraz polifluorek winylidenu (PVDF).
Zgodnie z układem okresowym, fluor ma najwyższe powinowactwo elektronowe (1328.2 kJ mol-1) i ujemność elektronową (4.0). Oznacza to, że może on skutecznie wycofywać elektrony z innych materiałów i generować wysoką gęstość ujemnego ładunku powierzchniowego.
Z tego powodu fluoropolimery są szeroko stosowane jako ujemnie ładowane warstwy kontaktowe do produkcji TENG. Pomimo tego, że są korzystne dla materiału, organizacje krajowe i współczesne badania wydały kilka ostrzeżeń przed stosowaniem fluoropolimerów ze względu na ich zanieczyszczający charakter.
Najważniejsze
- Nanogeneratory tryboelektryczne, czyli TENG, wykorzystują fluoropolimery jako materiały ładowalne w szeregach tryboelektrycznych.
- Substancje poli- i perfluoroalkilowe (PFAS) obecne w TENG-ach są uwalniane do środowiska w trakcie ich cyklu życia i powodują zanieczyszczenie środowiska.
- Kompozyt SRP (polimer bogaty w siarkę) i MXene to zrównoważona alternatywa o wysokiej wydajności.
- Siarka jest powszechnie występującym odpadem powstającym w procesie rafinacji benzyny i wśród atomów zdolnych do polimeryzacji charakteryzuje się najwyższym powinowactwem elektronowym, wynoszącym około −200 kJ mol−1.
- Do SRP dodaje się mniej niż 0.5% MXene, aby zapewnić równomierne rozprowadzenie bez powodowania przesiąkania elektrycznego. Prowadzi to do wzrostu stałej dielektrycznej bez znacznego wzrostu strat dielektrycznych.
- Dzięki jednorodnej dystrybucji MXene TENG ulepszono napięcie szczytowe (około 2.9%) i prąd szczytowy (około 19.5%) w porównaniu do poprzednich TENG opartych na technologii SRP.
- Dzięki dynamicznym, wymiennym wiązaniom disiarczkowym materiał ten nadaje się do ponownego wykorzystania bez obniżania modułu i wydajności TEG.
- Po zwiększeniu rozmiaru wafla do 4 cali następuje około 8.4-krotny wzrost gęstości mocy szczytowej w TENG na bazie kompozytu SRP/MXene. Osiąga to 3.80 W/m² w porównaniu do poprzednich TENG na bazie SRP.
- Po raz pierwszy badacze stworzyli również zamknięty system recyklingu TENG na bazie SRP.
Aby złagodzić negatywny wpływ na środowisko i zdrowie ludzi, należy opracować polimery bogate w siarkę. Składają się one głównie z 7 milionów ton siarka elementarna otrzymywany w procesie hydroodsiarczania rafinacji oleju naftowego.
W trakcie tego procesu z gazu siarkowodoru (H2S) ekstrahowana jest pierwiastkowa siarka, co skutkuje uzyskaniem wyjątkowo czystego gazu inne odpady. Dzięki najwyższemu powinowactwu elektronowemu wynoszącemu -200 kJ mol-1 i powinowactwu elektronowemu wynoszącemu -122 kJ mol-1 stają się obiecującym elementem do budowy wysokowydajnych TENG. Co więcej, finalnie użyte SRP mogą być ponownie wykorzystane poprzez termiczne przetwarzanie bez krytycznego pogorszenia właściwości mechanicznych ze względu na ich dynamicznie wymienialne wiązania disiarczkowe.
MXene – nowy nanomateriał
MXene należy do nowej rodziny Nanomateriały 2D. To ma Struktura 2D przypominająca arkusz o wysokim współczynniku kształtu. Posiada metaliczną przewodność elektryczną (5000-20,000 1 S cm-XNUMX). MXene ma również metaliczny rdzeń oraz powierzchniowe grupy terminalne na bazie tlenków i fluoru, które nadają mu ujemnie naładowane powierzchnie.
Powierzchnie naładowane ujemnie zapewniają stabilną dyspersję Nanopłytki MXene w środowisku wodnym. To dodatkowo okazuje się korzystne w zastosowaniach środowiskowych i procesach powlekania obiektów o zmiennej topografii 3D. Aby uzyskać stabilną dyspersję w środowisku wodnym i przewodność elektryczną, MXene nie wymaga dodatkowa redukcja lub utlenianie procesów.
Ulepszenia wydajności wyjściowej TENG dzięki MXene
Przewodnictwo elektryczne i ujemny ładunek powierzchniowy MXene odpowiadają za indukowanie mikroskopijnych dipoli na styku matrycy polimerowej i MXene. Zwiększa to stałą dielektryczną nanokompozytów polimerowych. Z różnych badań wynika, że poprawa stałej dielektrycznej nanokompozytów polimerowych zwiększa ich wydajność.
Ponadto wydajność TENG została poprawiona poprzez dostosowanie ilości MXene, która kontrolowała łączność struktury MXene. W ten sposób nie wpłynęło to również na perkolację elektryczną. Ponadto, wymagane było tylko 0.4% wag. MXene aby osiągnąć najwyższą wydajność wyjściową w TENG.
Ponadto badacze wdrożyli dla nich proces skalowania i wyładowania koronowego. Spowodowało to wzrost gęstości mocy szczytowej SRP/MXene TENG. Umożliwia im to wydajne zasilanie komercyjnych urządzeń elektronicznych, takich jak kondensatory ładowania i diody LED.
Według badaczy KIST, Ekonomiczna produkcja zielonego wodoru z aktywnymi MXenes.
Proces generowania nanopłytek Ti3C2Tx MXene
Na poniższym rysunku pokazano syntezę wodnego roztworu Ti3C2Tx MXene w celu złuszczania MXene na poziomie pojedynczej warstwy, a następnie rozpraszania w wodzie delonizowanej. Łatwo jest stabilnie rozpraszać nanopłytki MXene w środowisku wodnym ze względu na odpychanie elektrostatyczne między nanopłytkami MXene o ładunku ujemnym.
Przygotowanie matrycy SRP obejmuje: odwrotna wulkanizacja 75% wag. pierwiastkowej siarki (S) z 25% wag. 1,3-diizopropenylobenzenu (DIB) jako komonomeru. Umożliwia to uzyskanie zestalonych brył SRP, jak pokazano na poniższym obrazku. Ponadto, aby zapobiec rekrystalizacji pierwiastkowej siarki, badacze przeprowadzili post-baking na bryłach SRP przez 10 minut w temperaturze 160° C. Pomaga to w osiągnięciu dalszych reakcji niereagujących gatunków.
W ten sposób uzyskano chemicznie stabilne bryłki SRP, które następnie sproszkowano do postaci proszku w temperaturze zeszklenia (Tg) ≈17° C. Naukowcy użyli komercyjnego blendera i ciekłego azotu do tego procesu. średni promień powierzchni rzutowanej proszku SRP mierzony na podstawie obrazów SEM wynosi 18.9 ± 14.4 µm.
Ponadto proszek SRP został całkowicie zanurzony w wodnym roztworze MXene poprzez energiczne potrząsanie. Następnie naukowcy użyli go do skutecznego powlekania nanopłytek MXene poprzez samoorganizację poprzez odparowanie środowiska wodnego w warunkach próżni w temperaturze pokojowej 25° C przez 72 godziny.
Następnie, aby utworzyć zintegrowaną z elektrodą AI powłokę kompozytową SRP/MXene, naukowcy umieścili proszek SRP pokryty MXene na folii AI i prasowane na gorąco w temperaturze 140°C przez 2 minutyPonieważ wiązania disiarczkowe w matrycy SRP mogą wymieniać się dynamicznie w temperaturze 140° C, pozwala im to na utworzenie stabilnej warstwy, gdy zetkną się fizycznie wzdłuż swoich granic.
W ten sposób warstwy MXene są ściśle otoczone i nie mają pustych przestrzeni przez sąsiadującą matrycę SRP z nowo utworzonymi wiązaniami disulfidowymi. Zapewnia to jednorodność i stabilność. Aby osiągnąć docelową grubość filmu kompozytowego, naukowcy systematycznie badali wpływ temperatury na grubość filmu.
Testy odkształcenia
Ponadto badacze muszą sprawdzić, czy właściwości termo-mechaniczne zostały zachowane podczas rozdrabniania i przepuszczania na gorąco. W tym celu przeprowadzono testy przemiatania odkształceń na foliach kompozytowych przy użyciu 0.8% wag. MXene (który był najwyższym MXene w zawartości). Wykonano 7 kolejnych testów przemiatania odkształceń z 2-minutowymi przerwami pomiędzy nimi.
Aby zbadać obszary poza liniowymi lepkosprężystymi regionami wywołującymi zniszczenie strukturalne, w każdym teście zastosowano odkształcenia od 0.01% do 100%. Było to konieczne do odzyskania właściwości termomechanicznych poprzez dynamiczną wymianę wiązań.
Moduł folii kompozytowych SRP/MXene został pomyślnie odzyskany podczas tych 2-minutowych przerw. Następnie te folie kompozytowe zostały użyte do opracowania urządzenia TENG, które może być używane do pionowego kontaktu i separacji.
Efekt Tyndalla Ti3C2Tx MXene
Naukowcy potwierdzili również efekt Tyndalla przy stężeniu 0.02 mg mL-1 napromieniowanym powszechnie dostępnym zielonym laserem. Efekt Tyndalla występuje poprzez równomierne rozłożenie nanopłytek MXene w roztworze wodnym, co dodatkowo prowadzi do rozpraszania światła.
Znajdź więcej na temat Badania dowodzą, że gigantyczne magazynowanie energii w linach z nanorurek węglowych jest skuteczniejsze niż w bateriach litowych.
Charakterystyka syntetyzowanych nanopłytek MXene
Zsyntetyzowana nanopłytka ma następujące cechy:
- Przewodność elektryczna – 8,381 ± 319 S cm−1 (mierzona sondą czteropunktową)
- Rozmiar boczny – 3.0 ± 2.3 µm (mierzony za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej)
- Wysokość – mniejsza niż 2 nm (mierzona mikroskopią sił atomowych), co wskazuje na wysoki współczynnik kształtu złuszczania na poziomie monowarstwy.
Poniższa tabela przedstawia podsumowanie składu atomowego MXene uzyskanego metodą spektroskopii fotoelektronów rentgenowskich (XPS).
| Procent atomowy (%) | |
| C 1s | 22.47 |
| F 1s | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ty 2p | 34.56 |
Jak pokazuje poniższy rysunek, większą powierzchnię proszku SRP uzyskano dzięki wyższemu stężeniu wodnego roztworu MXene. Niska zawartość MXene prowadzi do braku przesiąkania w filmach kompozytowych, ponieważ między złożonymi warstwami MXene występuje znaczna odległość.
Wzrost zawartości MXene powoduje przesiąkanie reologiczne, ponieważ odległość między warstwami rozmieszczonymi sporadycznie jest mniejszy. Podczas prasowania na gorąco łańcuchy polimerowe z wypełniaczami o wysokiej sztywności na granicy faz częściowo się wyrównują. Powoduje to powstanie sztywniejszych frakcji amorficznych.
Na tym etapie jest to łatwy do ulepszenia moduł sprężystości kompozytów SRP/MXene. Ponadto, perkolacja elektryczna może być również zwiększona, aby łączyć się poprzez kontakt fizyczny, tworząc trójwymiarową strukturę przypominającą sieć w matrycy SRP. Prowadzi to do rozwoju ścieżek przewodzących rozciągających się od góry do dołu przez grubość folii kompozytowych SRP/MXene.
Jednolita dystrybucja ze strukturą segregowaną
- Ciemny kolor proszku SRP powlekanego MXene wynika ze zwiększonej zawartości MXene.
- Następnie, wraz ze wzrostem zawartości MXene, zaobserwowano wzrost intensywności piku grupy hydroksylowej (OH) (3,430 cm−1), co zostało potwierdzone przez widma w podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR).
- Ponadto nie zaobserwowano przesunięcia szczytowego, co wyraźnie sugeruje interakcje między MXene i SRP. Przekrojowe obrazy SEM (jasny przekrój) pokazują zwiększoną łączność między warstwami MXene w miarę wzrostu jego zawartości.
- Rysunek e pokazuje liniową korelację między frakcją wagową atomów Ti a zastosowaną zawartością MXene. Następny rysunek pokazuje wydzielone struktury, lakunarność i wymiar fraktalny rozproszonych stanów MXene.
Opis poniższego obrazu jest następujący (w kolejności alfabetycznej):
- Cyfrowe obrazy proszku SRP powlekanego MXene (i) i kompozytowej folii SRP/MXene o różnej zawartości MXene (ii)
- Obrazy SEM przekroju poprzecznego filmów SEP/MXene o różnej zawartości MXene.
- Obrazy mapowania atomów EDS w przekroju poprzecznym z 0.8% wag. MXene.
- Obrazy przekroju poprzecznego SEM o dużej skali oraz mapy atomowej pokazują filmy kompozytowe zawierające 0.4% MXene.
- Udział wagowy atomów Ti w warstwie SRP/MXene jako funkcja zawartości MXene.
- Wymiar ułamkowy i lakunarność wydzielonej struktury w stosunku do zawartości (MXene).
- Moduł składowania w obszarze plateau gumowego i tan max folii kompozytowej przy zmiennej zawartości MXene.
Właściwości dielektryczne kompozytowej folii SRP/MXene
Na poniższym rysunku możemy zobaczyć różne mechanizmy polaryzacji czystych filmów SRP i kompozytowych filmów SRP/MXene pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. W przeciwieństwie do czystych filmów SRP, tutaj ładunki polaryzacyjne gromadzą się na granicy faz między SRP i MXene.
Wyższą elektroujemność zaobserwowano w grupach terminalnych warstwy. Jest ona większa niż siarka i węgiel obecne w matrycy SRP. Z powodu tej gęstości elektronów z matrycy SRP jest wycofywana na powierzchnię warstw MXene. W ten sposób filmy kompozytowe mogą generować wyższy całkowity ładunek netto pod zewnętrznym polem elektrycznym z powodu dodatkowo nagromadzonego ładunku.
Czytałeś jak? MOF może zwiększyć produkcję wodoru fotokatalitycznego o 10% wydajności kwantowej, twierdzą badania OSU?
Wydajność wyjściowa kompozytowych folii SRP/MXene (12.5 cm2)
Poniższy rysunek pokazuje wydajność wyjściową opartą na kompozytowych filmach SRP/MXene. Naukowcy mierzą szczytowe napięcie i szczytowy prąd TENG, aby systematycznie badać ich wydajność wyjściową.
Kompozytowe folie wykonane z zastosowanego SRP/MXene charakteryzują się następującymi cechami.
- Średnia grubość – 150 μm
- Powierzchnia aktywna – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Częstotliwość kontaktu i separacji – 30N i 0.65 Hz
- Jednak wraz ze wzrostem zawartości MXene z 0 do 4% wag. nastąpił wzrost zarówno napięcia szczytowego z 68.8 ± 4.5, jak i Ipeak z 2.5 ± μA do 161.0 ± 20.0 V i 8.1 ± 1.0 μA.
Zgodnie z oczekiwaniami, wydajność tryboelektryczna była wysoka w przypadku kompozytu SRP/MXene TENG o zawartości wag. 0.4%. Następnie parametrem wydajności wyjściowej TENG była grubość warstwy kontaktowej. Gdy była ona mniejsza od zoptymalizowanej wartości, a naładowana powierzchnia znajdowała się zbyt blisko elektrody AI, generowała ładunki ujemne na filmach kompozytowych.
Natomiast gdy grubość była większa niż optymalna, ładunek dodatni nie był generowany, ponieważ pole elektryczne zanikało wraz z odległością. Zatem optymalna grubość została zmierzona jako ≈500 μm.
Długoterminowa stabilność operacyjna
W 24-godzinnych testach wytwarzania energii naukowcy sprawdzili długoterminową stabilność operacyjną TENG-ów na bazie kompozytów SRP/MXene. Stabilne wytwarzanie energii bez znaczących redukcji Vpeak i Ipeak odnotowano w ciągu 24 godzin.
Co więcej, równomierne rozmieszczenie MXene powoduje powstanie dużej powierzchni styku między MXene i SRP, co umożliwia uzyskanie znacznych osiągów TENG.
Odszyfrowanie zrównoważonego rozwoju kompozytu MXene/SRP TENG
Naukowcy zademonstrowali to eksperymentalnie, wykorzystując zamknięty obieg recyklingu.
- Najpierw usunęli fizycznie przymocowaną elektrodę z folii AI z folii kompozytowej
- Następnie folię rozdrobniono poniżej temperatury Tg za pomocą ciekłego azotu.
- Następnie wysuszono go próżniowo, aby zapobiec kondensacji wilgoci.
- Następnie przetworzyli ponownie kompozyt SRP/MXene repulveryzowany proszek w folię poprzez prasowanie na gorąco w pierwotnych warunkach przygotowawczych.
- Ponownie odzyskana folia została wykorzystana do opracowania urządzeń TENG.
Charakterystyka kompozytowej folii MXene/SRP z recyklingu
- Nieznaczne zmiany w wyglądzie i kolorze
- Płaskowyż gumy pozostał stały i nie nastąpiło pogorszenie (po czterokrotnym recyklingu folii)
- Zachowano również Vpeak i Ipeak.
Aby zwiększyć wydajność wyjściową: wyładowanie koronowe i skalowanie MXene/SRP (81.1 cm2)
Po wyładowaniu koronowym potencjał powierzchniowy folii kompozytowych o 0.4% wag. uległ znacznej poprawie. Naukowcy sztucznie wstrzyknęli wygenerowane elektrony do powierzchni warstwy kontaktowej. Folia kompozytowa SRP/MXene została skalowana do 4-calowych płytek, aby zademonstrować jej zakres dla różnych zastosowań na dużą skalę.
Powiększony TENG ma odpowiednio Vpeak (1,717.7 V) i Ipeak (129.0 μA), co stanowi wartość około 3.6, a więc jest 4.4 razy wyższa od wartości zmierzonych przed wyładowaniem koronowym.
Naukowcy zauważyli, że przy 8 mΩ rezystancji obciążenia szczytowa gęstość mocy osiągnęła 3.80 W m-2. Jest to 8.4-krotny wzrost w porównaniu z poprzednim zarejestrowanym zestawem TENG opartym na mieszance SRP/PPFS. Ponadto wymagane wspomaganie obciążenia zostało zmniejszone o współczynnik 12.5 w porównaniu ze starymi zapisami.
W porównaniu z wcześniej opisanymi pionowymi kontaktami i trybami separacji TENG na bazie MXene, TENG na bazie SRP/MXene wykazał lepsze lub porównywalne parametry wyjściowe TENG, w tym gęstość mocy, Vszczyt i Iszczyt pomimo wykorzystania znacząco małej ilości 0.4% wag. MXene. W szczególności gęstość na częstotliwość TENG na bazie SRP/MXene wynosiła około 5.86 W m−2 Hz−1.
Badania wykazały, że możliwe jest opracowanie ekologiczny nawóz powietrzny z rozdrobnionych fioletowych bakterii morskich.
Poprzednie raporty dotyczące budowy SRP
2019 – Naukowcy wprowadzili koncepcja wykorzystania SRP do konstruowania wysokowydajnych ogniw TENG poprzez bezpośrednie fluorowanie powierzchni folii SRP.
wady – W tym podejściu wykorzystuje się gaz F2, który jest łatwopalny i wysoce toksyczny, zagrażając bezpieczeństwu ludzi i nie sprzyjając zrównoważonemu rozwojowi środowiska.
2022 – Mieszanka polimerów zawierająca nielotny poli(pentafluoropolistyren) lub PPFS została opracowana w matrycy SRP, aby sprostać niebezpieczeństwom związanym z gazem F2. Ten TENG drugiej generacji oparty na SRP również wykazał dobrą wydajność wyjściową w porównaniu do pierwszej generacji. Wykazywał również długoterminową stabilną generację energii.
Ulepszenie to było możliwe dzięki nowej konstrukcji procesu, która umożliwiła lokalizację powierzchni bogatych w PPFS poprzez separację faz podczas obróbki termicznej folii.
wady – Użycie PPFS jest ograniczone do 7.5% wag. Korzyści ze zrównoważonych TENG opartych na SRP są umniejszane, gdy stosuje się PPFS. Zanieczyszczenie środowiska przez PPFS nadal pozostaje w obiegu bez żadnych prób wykazania możliwości ponownego użycia. Ponieważ części na bazie fluoru powinny znajdować się na powierzchni, aby TENG działał lepiej, utrudniło to ponowne przetwarzanie.
2024 – System kompozytowy SRP zawierający niewielką ilość Ti3C2Tx MXene jako nanowypełniacz do opracowywania zrównoważonych i wydajnych TENG. Skutecznie rozwiązuje on ograniczenia poprzednich TENG opartych na SRP.
Wniosek
W ten sposób stało się jasne, że to podejście rejestruje wydajny i zrównoważony kompozyt bogaty w siarkę z MXene. Wykazał on wysoką gęstość mocy i wykazał zamknięty obieg recyklingu bez żadnych kompromisów w zakresie wydajności urządzenia TENG. TENG jest uważany za przyjazny dla środowiska, ponieważ wykorzystuje marnotrawne elementy, siarkę. Ponadto te folie mają dynamicznie wymienialne wiązania disulfidowe, dzięki czemu mogą być ponownie wykorzystane przez ponowne rozdrabnianie i obróbka cieplna nich. Oczekuje się, że to innowacyjne podejście przezwycięży ograniczenia poprzedniego systemu.
Źródło : Informacje uzupełniające
