A coleta de energia verde tem sido pesquisada ativamente nas últimas décadas para atingir a neutralidade de carbono. Nanogerador triboelétrico ou TENG é um promissor coletor de energia verde que usa energia mecânica de baixa frequência desperdiçada pelo movimento comum para produzir muitas coisas. Desde seu desenvolvimento em 2012, o TENG tem sido considerado muito útil. Recentemente, uma equipe de pesquisadores trabalhou em seu conceito anterior com uma nova abordagem e gerou um composto rico em enxofre eficiente e sustentável com MXene.
Objetivo do estudo – Desenvolver novos materiais tribológicos para criar TENGs de alto desempenho.
Composto rico em enxofre eficiente e sustentável com Mxene
No entanto, no que diz respeito ao estado da arte tribo-materiais para TENGs, mais de 50% das pesquisas atuais utilizaram fluoropolímeros, incluindo politetrafluoroetileno (PTFE), etileno propileno fluorado (FEP) e fluoreto de polivinilideno (PVDF).
De acordo com a tabela periódica, o flúor tem a maior afinidade eletrônica (1328.2 kJ mol-1) e negatividade eletrônica (4.0). Isso significa que eles podem efetivamente retirar elétrons de outros materiais e gerar alta densidade de carga superficial negativa.
Devido a isso, fluoropolímeros têm sido amplamente usados como camadas de contato negativamente carregáveis para fazer TENGs. Apesar de serem benéficos para o material, organizações nacionais e pesquisas contemporâneas emitiram vários avisos contra o uso de fluoropolímeros devido à sua natureza poluente.
Destaques
- Nanogeradores triboelétricos ou TENGs usam fluoropolímeros como materiais carregáveis em séries triboelétricas.
- Substâncias polifluoroalquílicas e perfluoroalquílicas (PFAS) presentes nos TENGs são liberadas no meio ambiente durante seu ciclo de vida e causam poluição ambiental.
- O composto SRP ou polímero rico em enxofre/MXene é uma alternativa sustentável que oferece alto desempenho.
- O enxofre é um resíduo abundante do refino de petróleo e, entre os átomos polimerizáveis, tem a maior afinidade eletrônica, em torno de −200 kJ mol−1.
- Menos de 0.5% de MXene é adicionado ao SRP para distribuição uniforme sem causar percolação elétrica. Isso leva a um aumento na constante dielétrica sem muito aumento na perda dielétrica.
- Com distribuição homogênea de MXene, o TENG apresenta aumento na tensão de pico (cerca de 2.9%) e na corrente de pico (cerca de 19.5%) em comparação aos TENGs anteriores baseados em SRP.
- Devido às suas ligações dissulfeto trocáveis dinâmicas, ele também mostra sua reutilização sem reduzir o módulo e o desempenho do TEG.
- Uma vez que o tamanho do wafer é aumentado para 4 polegadas, há um aumento de cerca de 8.4 vezes na densidade de potência de pico no TENG baseado em compósito SRP/MXene. Isso atinge 3.80 W/m² em comparação com TENGs anteriores baseados em SRP.
- Pela primeira vez, os pesquisadores também estabeleceram um sistema de reciclagem de circuito fechado entre TENGs baseados em SRP.
Para mitigar os impactos negativos no meio ambiente e na saúde humana, polímeros ricos em enxofre precisam ser desenvolvidos. Eles são compostos principalmente de 7 milhões de toneladas de enxofre elementar derivado do processo de hidrodessulfurização do refino de petróleo.
Durante o processo, o enxofre elementar é extraído do gás sulfídrico (H2S) e resulta em um produto excepcionalmente puro. outros resíduos. Com sua maior afinidade eletrônica de -200 kJ mol-1 e afinidade eletrônica de -122 kJ mol -1, eles se tornam um elemento promissor para a construção de TENG de alto desempenho. Além disso, o SRP usado final pode ser reutilizado por reprocessamento térmico sem deterioração crítica das propriedades mecânicas devido a sua ligações dissulfeto dinamicamente trocáveis.
MXene – o novo nanomaterial
MXene é de uma nova família de Nanomateriais 2D. Tem um Estrutura em forma de folha 2D com uma alta razão de aspecto. Possui condutividade elétrica metálica (5000-20,000 S cm-1). MXene também tem um núcleo metálico e grupos terminais de superfície baseados em óxido e flúor, que lhe dão superfícies carregadas negativamente.
Superfícies carregadas negativamente fornecem dispersão estável de Nanofolhas de MXene em meio aquoso. Isso também se mostra vantajoso em aplicações ambientais e processos de revestimento para objetos com topografia 3D variável. Para atingir dispersão estável em meios aquosos e condutividade elétrica, O MXene não requer redução ou oxidação adicional processos.
Melhorias no desempenho de saída TENG com MXene
A condutividade elétrica e a carga superficial negativa do MXene são responsáveis por induzir dipolos microscópicos na interface entre a matriz do polímero e o MXene. Isso aumenta a constante dielétrica dos nanocompósitos de polímero. De várias pesquisas, ficou evidente que melhorar a constante dielétrica dos nanocompósitos de polímero melhora seu desempenho.
Além disso, o desempenho do TENG foi melhorado ajustando a quantidade de MXene que controlava a conectividade da estrutura do MXene. Dessa forma, a percolação elétrica também não foi afetada. Além disso, apenas 0.4% em peso de MXene foi necessário para atingir o mais alto desempenho de saída em TENG.
Além disso, os pesquisadores implementaram o processo de escalonamento e descarga corona para eles. Isso resultou em um aumento na densidade de potência de pico do SRP/MXene TENG. Isso os permite alimentar com eficiência eletrônicos comerciais, como capacitores de carga e LEDs.
De acordo com os pesquisadores do KIST, Produção de hidrogênio verde com boa relação custo-benefício com MXenes ativos.
Processo de geração de nanofolhas de Ti3C2Tx MXene
A figura a seguir mostra a síntese de uma solução aquosa de Ti3C2Tx MXene para esfoliar MXene no nível de camada única e então dispersar em água delonizada. É fácil dispersar de forma estável nanofolhas de MXene em meios aquosos devido à repulsão eletrostática entre nanofolhas de MXene carregadas negativamente.
A preparação da matriz SRP inclui vulcanização inversa de 75% em peso de enxofre elementar (S) com 25% em peso de 1,3-diisopropenilbenzeno (DIB) como comonômero. Isso permite obter pedaços de SRP solidificados, como mostrado na imagem abaixo. Além disso, para evitar a recristalização do enxofre elementar, os pesquisadores realizaram pós-cozimento em pedaços de SRP por 10 minutos a 160° C. Isso ajuda a atingir mais reações das espécies não reagidas.
Assim, pedaços de SRP quimicamente estáveis foram obtidos e pulverizados em forma de pó sob a temperatura de transição vítrea (Tg) de ≈17° C. Os pesquisadores usaram um liquidificador comercial e nitrogênio líquido para o processo. o raio médio da área projetada do pó SRP medido a partir de imagens SEM é de 18.9 ± 14.4 µm.
Além disso, o pó de SRP foi completamente imerso em solução aquosa de MXene por meio de agitação vigorosa. Então, os pesquisadores o usaram para revestir efetivamente nanofolhas de MXene por automontagem por meio da evaporação de meio aquoso sob condições de vácuo em temperatura ambiente de 25° C por 72 horas.
Em seguida, para fazer um filme composto SRP/MXene integrado ao eletrodo de IA, os pesquisadores colocaram pó de SRP revestido com MXene em uma folha de IA e prensado a quente a 140° C por 2 minutos. Como as ligações dissulfeto na matriz SRP podem ser trocadas dinamicamente a 140° C, isso permite que elas formem uma película estável quando entram em contato físico ao longo de suas fronteiras.
Assim, as camadas de MXene são firmemente cercadas e não têm vazios por uma matriz SRP adjacente com ligações dissulfeto recém-formadas. Isso garante uniformidade e estabilidade. Para atingir a espessura alvo do filme composto, os pesquisadores investigaram sistematicamente o efeito da temperatura na espessura do filme.
Testes de varredura de tensão
Além disso, os pesquisadores precisam verificar se as propriedades termomecânicas foram mantidas durante a pulverização e a passagem a quente. Para isso, testes de varredura de deformação foram realizados nos filmes compostos usando 0.8% em peso de MXene (que era o MXene mais alto no conteúdo). 7 testes de varredura de deformação consecutivos foram realizados com pausas de 2 minutos entre eles.
Para explorar além das regiões viscoelásticas lineares que induzem destruição estrutural, tensões variando de 0.01% a 100% foram aplicadas em cada teste. Isso foi necessário para a recuperação de propriedades termomecânicas por meio de troca dinâmica de ligações.
O módulo dos filmes compostos SRP/MXene foi recuperado com sucesso durante essas pausas de 2 minutos. Então, esses filmes compostos foram usados para desenvolver o dispositivo TENG que pode ser usado para contato vertical e separação.
O efeito Tyndall do Ti3C2Tx MXene
Os pesquisadores também confirmaram o efeito Tyndall com uma concentração de 0.02 mg mL-1 irradiada sob um laser verde geralmente disponível. O efeito Tyndall ocorre pela distribuição uniforme de nanofolhas de MXene em uma solução aquosa, o que leva ainda mais à dispersão da luz.
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Características das nanofolhas de MXene sintetizadas
A nanofolha sintetizada possui as seguintes características:
- Condutividade elétrica – 8,381 ± 319 S cm−1 (medida por uma sonda de quatro pontos)
- Tamanho lateral – 3.0 ± 2.3 µm (medido por microscopia eletrônica de varredura)
- Altura – menos de 2 nm (medido por microscopia de força atômica), o que indica uma alta proporção de esfoliação em nível de monocamada.
A tabela a seguir apresenta uma visão resumida da composição atômica do MXene a partir da medição por espectroscopia de fotoelétrons de raios X (XPS).
| Porcentagem atômica (%) | |
| C1s | 22.47 |
| F1s | 17.21 |
| O 1s | 25.33 |
| Ti 2p | 34.56 |
Como mostra a figura a seguir, a maior área de superfície do pó SRP foi alcançada por uma concentração maior de solução aquosa de MXene. O baixo teor de MXene leva à ausência de percolação nos filmes compostos, pois há uma distância substancial entre as camadas de MXene montadas.
Um aumento no conteúdo de MXene desencadeia a percolação reológica à medida que distância entre camadas distribuídas esporadicamente é menor. Durante a prensagem a quente, cadeias de polímeros com cargas de alta rigidez na interface se alinham parcialmente. Isso resulta em frações amorfas mais rígidas.
Nesta fase, é fácil de melhorar o módulo elástico dos compósitos SRP/MXene. Além disso, a percolação elétrica também pode ser aumentada para interconectar através do contato físico, formando uma estrutura semelhante a uma rede 3D na matriz SRP. Isso leva ao desenvolvimento de caminhos condutores que se estendem de cima para baixo através da espessura dos filmes compostos SRP/MXene.
Distribuição uniforme com estrutura segregada
- A cor escura do pó SRP revestido com MXene é devido ao aumento do teor de MXene.
- Em seguida, conforme o conteúdo de MXene aumentou, houve um aumento na intensidade do pico do grupo hidroxila (OH) (3,430 cm−1), o que foi confirmado pelos espectros de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IR).
- Além disso, nenhuma mudança de pico foi observada, o que sugere claramente interações entre MXene e SRP. Imagens SEM transversais (seção brilhante) mostram a conectividade aumentada entre camadas do MXene conforme seu conteúdo aumenta.
- A figura e demonstra uma correlação linear entre uma fração de peso de átomos de Ti e os conteúdos de MXene aplicados. A próxima figura mostra as estruturas segregadas, lacunaridade e dimensão fractal de estados distribuídos de MXene.
A descrição da imagem a seguir é a seguinte (ordem alfabética):
- Imagens digitais de pó de SRP revestido com MXene (i) e filme composto de SRP/MXene com conteúdo variado de MXene (ii)
- Imagens SEM transversais de filmes SEP/MXene com conteúdo variável de MXene.
- Imagens de mapeamento atômico EDS em corte transversal com 0.8% em peso de MXene.
- Imagens de mapeamento atômico e transversal SEM de alta magnitude mostram filmes compostos com 0.4% de MXene.
- Fração de peso do átomo de Ti no filme SRP/MXene como função do conteúdo de MXene.
- Dimensão fracionária e lacunaridade da estrutura segregada vs conteúdo (MXene).
- Módulo de armazenamento na região do platô emborrachado e tan máximo do filme composto com diferentes teores de MXene.
Propriedades dielétricas do filme composto SRP/MXene
Na figura a seguir, podemos ver diferentes mecanismos de polarização de filmes SRP puros e filmes compostos SRP/MXene sob campo elétrico externo. Diferentemente de filmes SRP puros, aqui as cargas de polarização se acumulam na interface he entre o SRP e o MXene.
Eletronegatividade mais alta foi testemunhada em grupos terminais da camada. É mais do que enxofre e carbono presente na matriz SRP. Devido a isso, a densidade de elétrons da matriz SRP é retirada para a superfície das camadas de MXene. Assim, os filmes compostos podem gerar uma carga líquida total mais alta sob o campo eletrônico externo devido à carga adicional acumulada.
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Desempenho de saída de filmes compostos SRP/MXene (12.5 cm2)
A figura a seguir demonstra o desempenho de saída com base em filmes compostos SRP/MXene. Pesquisadores medem a tensão de pico e a corrente de pico dos TENGs para investigar sistematicamente seu desempenho de saída.
Os filmes compostos feitos de SRP/MXene aplicado têm as seguintes características.
- Espessura média – 150 μm
- Área ativa – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
- Frequência de contato e separação – 30N e 0.65 Hz
- Mas à medida que o conteúdo de MXene aumenta de 0 para 4% em peso, há um aumento tanto na tensão de pico de 68.8 ± 4.5 quanto no pico de 2.5 ± μA para 161.0 ± 20.0 V e 8.1 ± 1.0 μA.
Como esperado, o desempenho de saída triboelétrica foi alto no TENG baseado em compósito SRP/MXene com 0.4% em peso. Em seguida, um parâmetro no desempenho de saída do TENG foi a espessura da camada de contato. Quando era menor que o valor otimizado e a superfície carregada estava muito próxima do eletrodo AI, gerava cargas negativas nos filmes compostos.
Enquanto isso, quando a espessura era mais do que ótima, uma carga positiva não era gerada porque o campo elétrico decaía com a distância. Assim, a espessura ótima foi medida como sendo ≈500 μm.
Estabilidade operacional de longo prazo
Com testes de geração de energia de 24 horas, os pesquisadores verificaram a estabilidade operacional de longo prazo dos TENGs baseados em compósitos SRP/MXene. Geração de energia estável sem reduções significativas em Vpeak e Ipeak foi registrada durante 24 horas.
Além disso, a distribuição uniforme de MXene induz uma grande área de interface entre MXene e SRP, o que permite desempenhos TENG notáveis.
Decifrando a sustentabilidade do TENG baseado em compósito MXene/SRP
Pesquisadores demonstraram isso experimentalmente usando um processo de reciclagem de circuito fechado.
- Eles primeiro removeram o eletrodo de folha de IA fisicamente conectado ao filme composto
- Em seguida, o filme foi pulverizado abaixo de Tg com nitrogênio líquido.
- Em seguida, foi seco a vácuo para evitar condensação de umidade.
- Então eles reprocessaram o composto SRP/MXene repulverizado pó em um filme por prensagem a quente sob as condições iniciais de preparação.
- Novamente, o filme reciclado foi usado para desenvolver dispositivos TENG.
Características do filme composto MXene/SRP reciclado
- Mudanças insignificantes na aparência e na cor
- O platô da borracha permaneceu constante e não houve deterioração (após reciclar o filme 4 vezes)
- Além disso, o Vpeak e o Ipeak foram mantidos.
Para melhorar o desempenho de saída: descarga de corona e aumento de escala de MXene/SRP (81.1 cm2)
Após a descarga corona, o potencial de superfície dos filmes compostos com 0.4% em peso foi significativamente melhorado. Os pesquisadores injetaram artificialmente os elétrons gerados na superfície da camada de contato. O filme composto SRP/MXene foi ampliado para wafers de 4 polegadas para demonstrar seu escopo para várias aplicações em larga escala.
O TENG ampliado tem Vpico (1,717.7 V) e Ipico (129.0 μA), respectivamente, que é cerca de ≈3.6, tornando-o 4.4 vezes maior do que os medidos antes da descarga corona.
Os pesquisadores notaram que na resistência de carga de 8 mΩ, a densidade de potência de pico atingiu 3.80 W m-2. Este é um aumento de 8.4 vezes do que o conjunto registrado anteriormente por TENGs baseados em mistura SRP/PPFS. Além disso, a assistência de carga necessária foi reduzida por um fator de 12.5 em comparação aos registros antigos.
Quando comparamos o modo de contato vertical e separação relatado anteriormente com o TENG baseado em MXene, o TENG baseado em SRP/MXene exibiu desempenho de saída de TENG superior ou comparável, incluindo densidade de potência, Vpico, e Ipico apesar de utilizar uma quantidade significativamente pequena de 0.4% em peso de MXene. Particularmente, a densidade por frequência de TENG baseado em SRP/MXene foi de cerca de 5.86 W m−2 Hz−1.
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Relatórios anteriores sobre construção de SRP
2019 – Os pesquisadores introduziram o conceito de uso de SRP para construir um TENG de alto desempenho por meio da fluoração direta da superfície do filme SRP.
desvantagens – Esta abordagem utiliza gás F2, que é inflamável e altamente tóxico, o que coloca em risco a segurança humana e não oferece sustentabilidade ambiental.
2022 – Uma mistura de polímeros incorporando poli (pentafluoropoliestireno) não volátil ou PPFS foi desenvolvida na matriz SRP para atender aos perigos associados ao gás F2. Este TENG de 2ª geração baseado em SRP também mostrou bom desempenho de saída em comparação ao de 1ª geração. Além disso, mostrou geração de energia estável a longo prazo.
Essa melhoria veio por meio de um novo design de processamento que permitiu que superfícies ricas em PPFS fossem localizadas por meio da separação de fases durante o processamento de filme térmico.
desvantagens – O uso de PPFS é restrito a 7.5% em peso. Os benefícios dos TENGs sustentáveis baseados em SRP são prejudicados quando o PPFS é usado. A poluição ambiental por PPFS ainda permanece no circuito sem nenhuma tentativa de demonstrar a reutilização. Como as peças baseadas em flúor devem estar na superfície para que o TENG tenha um melhor desempenho, isso dificultou o reprocessamento.
2024 – Sistema composto SRP incorporando uma quantidade mínima de Ti3C2Tx MXene como nanoenchimento para desenvolver TENGs sustentáveis e de alto desempenho. Ele aborda efetivamente as limitações dos TENGs anteriores baseados em SRP.
Conclusão
Dessa forma, ficou mais claro que essa abordagem registrou um composto rico em enxofre eficiente e sustentável com MXene. Ele demonstrou alta densidade de potência e demonstrou reciclagem em circuito fechado sem comprometer o desempenho do dispositivo TENG. O TENG é considerado ecologicamente correto porque utiliza elementos desperdiçadores, enxofre. Além disso, esses filmes têm ligações dissulfeto dinamicamente trocáveis, devido às quais podem ser reutilizados por repulverização e processamento térmico eles. Espera-se que esta abordagem inovadora supere as limitações do sistema anterior.
Conteúdo da fonte: Nanogerador triboelétrico sustentável e de alto desempenho baseado em compósito de polímero rico em enxofre com estrutura segregada de MXene
fonte: Informações de Apoio
