W ciągu ostatnich kilku dekad intensywnie badano pozyskiwanie zielonej energii w celu osiągnięcia neutralności węglowej. Nanogenerator tryboelektryczny , czyli TENG, to obiecujący generator zielonej energii, który wykorzystuje energię mechaniczną o niskiej częstotliwości, marnowaną podczas normalnego ruchu, do produkcji wielu rzeczy. Od momentu opracowania w 2012 roku, TENG jest uważany za bardzo użyteczny. Niedawno zespół naukowców pracował nad swoją poprzednią koncepcją, stosując nowe podejście i tworząc wydajny i zrównoważony kompozyt bogaty w siarkę z MXene.
Cel badania – opracowanie nowych materiałów tryboelektrycznych do tworzenia wysokowydajnych ogniw TENG.
Wydajny i zrównoważony kompozyt bogaty w siarkę z Mxene
Jednakże jeśli chodzi o najnowocześniejsze materiały trybologiczne dla TENG , ponad 50% obecnych badań wykorzystuje fluoropolimery, w tym politetrafluoroetylen (PTFE), fluorowany etylen-propylen (FEP) i 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, konieczne jest opracowanie polimerów bogatych w siarkę. Składają się one głównie z 7 milionów ton siarki elementarnej pochodzącej z procesu hydroodsiarczania podczas rafinacji ropy naftowej.
W trakcie tego procesu siarka elementarna jest ekstrahowana z gazowego siarkowodoru (H₂S), co pozwala uzyskać siarkę o wyjątkowo wysokiej czystości w porównaniu z innymi odpadami . Dzięki najwyższemu powinowactwu elektronowemu wynoszącemu -200 kJ mol-1 i -122 kJ mol-1, siarka ta staje się obiecującym elementem do budowy wysokowydajnych ogniw TENG. Co więcej, zużyte SRP można ponownie wykorzystać poprzez termiczne przetwarzanie bez istotnego pogorszenia właściwości mechanicznych dzięki ich dynamicznie wymiennym wiązaniom disiarczkowym.
MXene – nowy nanomateriał
MXene należy do nowej rodziny dwuwymiarowych nanomateriałów . Ma dwuwymiarową, przypominającą arkusz strukturę o wysokim współczynniku kształtu. Posiada metaliczną przewodność elektryczną (5000–20 000 S·cm-1). MXene posiada również metaliczny rdzeń oraz powierzchniowe grupy terminalne na bazie tlenków i fluoru, które nadają mu ujemnie naładowaną powierzchnię.
Ujemnie naładowane powierzchnie zapewniają stabilną dyspersję nanopłytek MXene w środowisku wodnym . Jest to szczególnie korzystne w zastosowaniach środowiskowych i procesach powlekania obiektów o zmiennej topografii trójwymiarowej. Aby uzyskać stabilną dyspersję w środowisku wodnym i przewodność elektryczną, MXene nie wymaga dodatkowych procesów redukcji ani utleniania.
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.
Co więcej, wydajność TENG została poprawiona poprzez dostosowanie ilości MXene, co kontrolowało łączność struktury MXene. W ten sposób nie wpłynęło to również na perkolację elektryczną. Co więcej, do osiągnięcia najwyższej wydajności TENG wystarczyło zaledwie 0.4% wag. MXene .
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.
Zdaniem badaczy z KIST, opłacalna 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 odwrotną wulkanizację 75% wag. siarki elementarnej (S) z 25% wag. 1,3-diizopropenylobenzenu (DIB) jako komonomeru . Pozwala to na uzyskanie zestalonych bryłek SRP, jak pokazano na poniższym rysunku. Ponadto, aby zapobiec rekrystalizacji siarki elementarnej, badacze przeprowadzili wypalanie bryłek SRP przez 10 minut w temperaturze 160°C. Pomaga to w uzyskaniu dalszych reakcji nieprzereagowanych związków.
W ten sposób uzyskano chemicznie stabilne bryłki SRP i sproszkowano je do postaci proszku w temperaturze zeszklenia ( Tg ) wynoszącej ≈17°C. Naukowcy wykorzystali w tym procesie komercyjny blender i ciekły azot. Średni promień powierzchni rzutu proszku SRP zmierzony 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 stworzyć zintegrowaną z elektrodą AI powłokę kompozytową SRP/MXene, badacze umieścili proszek SRP pokryty MXene na folii AI i prasowali na gorąco w temperaturze 140°C przez 2 minuty . Ponieważ wiązania disiarczkowe w matrycy SRP mogą dynamicznie wymieniać się w temperaturze 140°C, pozwala im to na utworzenie stabilnej powłoki, gdy stykają 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.
Badania dowodzą, że gigantyczne magazyny energii w linach z nanorurek węglowych sprawdzają się lepiej 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 wywołuje perkolację reologiczną, ponieważ odległość między sporadycznie rozłożonymi warstwami jest mniejsza. Podczas prasowania na gorąco łańcuchy polimerów z wypełniaczami o wysokiej sztywności na granicy faz częściowo się wyrównują. Powoduje to powstanie sztywniejszych frakcji amorficznych.
Na tym etapie łatwo jest zwiększyć moduł sprężystości kompozytów SRP/MXene. Można również zwiększyć perkolację elektryczną, aby uzyskać połączenia 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.
Czy czytałeś, że MOF może zwiększyć produkcję wodoru fotokatalitycznego o 10% wydajności kwantowej, twierdzą badacze 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 opisywanymi ogniwami TENG opartymi na MXene, działającymi w trybie kontaktu pionowego i separacji, ogniwa TENG oparte na SRP/MXene charakteryzowały się lepszymi lub porównywalnymi parametrami wyjściowymi, w tym gęstością mocy, szczytem V i szczytem I , pomimo zastosowania znacząco małej ilości MXene o stężeniu wagowym 0.4%. W szczególności gęstość na częstotliwość ogniwa TENG opartego na SRP/MXene wynosiła około 5.86 W m−2 Hz−1.
Badania wykazały, że możliwe jest stworzenie przyjaznego dla środowiska nawozu powietrznego z rozdrobnionych fioletowych bakterii morskich.
Poprzednie raporty dotyczące budowy SRP
2019 – Naukowcy przedstawili koncepcję wykorzystania SRP do budowy wysokowydajnego ogniwa TENG poprzez bezpośrednie fluorowanie powierzchni folii SRP.
Wady – W tym podejściu stosuje się gaz F2, który jest łatwopalny i wysoce toksyczny, zagrażając bezpieczeństwu ludzi i nie sprzyjając zrównoważonemu rozwojowi środowiska.
2022 – W matrycy SRP opracowano mieszankę polimerów zawierającą nielotny poli(pentafluoropolistyren) lub PPFS, aby sprostać zagrożeniom związanym z gazem F2. Ten TENG drugiej generacji oparty na SRP również wykazał się dobrą wydajnością wyjściową w porównaniu z pierwszą generacją. Wykazywał również długotrwałą, stabilną produkcję energii.
Ulepszenie to było możliwe dzięki nowej konstrukcji procesu, która umożliwiła lokalizację powierzchni bogatych w PPFS poprzez separację faz podczas obróbki termicznej folii.
Wady – Zastosowanie PPFS jest ograniczone do 7.5% wag. Korzyści płynące z ekologicznych TENG na bazie SRP są niwelowane w przypadku stosowania PPFS. Zanieczyszczenie środowiska przez PPFS nadal pozostaje kwestią otwartą, bez żadnych prób udowodnienia możliwości ponownego użycia. Ponieważ elementy na bazie fluoru powinny znajdować się na powierzchni, aby TENG działał lepiej, ponowne przetwarzanie stało się trudne.
2024 – System kompozytowy SRP zawierający niewielką ilość Ti3C2Tx MXene jako nanowypełniacz do opracowywania zrównoważonych i wydajnych ogniw TENG. Skutecznie rozwiązuje on ograniczenia poprzednich ogniw TENG opartych na SRP.
Wniosek
W ten sposób stało się jasne, że to podejście pozwoliło na uzyskanie wydajnego i zrównoważonego kompozytu bogatego w siarkę z MXene. Wykazało wysoką gęstość mocy i recykling w obiegu zamkniętym bez uszczerbku dla wydajności urządzenia TENG. TENG jest uważany za przyjazny dla środowiska, ponieważ wykorzystuje pierwiastki odpadowe, takie jak siarka. Ponadto, te warstwy posiadają dynamicznie wymienialne wiązania disiarczkowe, dzięki czemu można je ponownie wykorzystać poprzez ponowne rozdrobnienie i obróbkę termiczną . Oczekuje się, że to innowacyjne podejście pokona ograniczenia poprzedniego systemu.
Źródło : Informacje uzupełniające
