В последние несколько десятилетий активно изучаются возможности получения зеленой энергии с целью достижения углеродной нейтральности. Трибоэлектрический наногенератор или TENG — это перспективный сборщик зеленой энергии, который использует низкочастотную механическую энергию, теряемую при обычном движении, для производства множества вещей. С момента своего создания в 2012 году TENG считался очень полезным. Недавно группа исследователей работала над своей предыдущей концепцией с новым подходом и создала эффективный и устойчивый композит с высоким содержанием серы с MXene.
Цель исследования – Разработать новые трибоматериалы для создания высокопроизводительных ТЭНов.
Эффективный и устойчивый композит с высоким содержанием серы и мксеном
Однако, что касается современного уровня техники трибоматериалы для ТЭНовболее 50% текущих исследований используют фторполимеры, включая политетрафторэтилен (ПТФЭ), фторированный этиленпропилен (ФЭП) и поливинилиденфторид (ПВДФ).
Согласно периодической таблице, фтор имеет самое высокое сродство к электрону (1328.2 кДж моль-1) и электронную отрицательность (4.0). Это означает, что они могут эффективно оттягивать электроны из других материалов и генерировать высокую плотность отрицательного поверхностного заряда.
В связи с этим фторполимеры широко использовались в качестве отрицательно заряжаемых контактных слоев для изготовления TENG. Несмотря на пользу для материала, национальные организации и современные исследования выпустили несколько предупреждений против использования фторполимеров из-за их загрязняющей природы.
Основные моменты:
- Трибоэлектрические наногенераторы или ТЭНы используют фторполимеры в качестве заряжаемых материалов в трибоэлектрических рядах.
- Поли- и перфторалкильные вещества (ПФАС), присутствующие в ТЭНГ, выбрасываются в окружающую среду в течение их жизненного цикла и вызывают ее загрязнение.
- SRP или композит полимер/MXene с высоким содержанием серы — это устойчивая альтернатива, обеспечивающая высокую производительность.
- Сера является распространенным отходом переработки бензина и среди полимеризующихся атомов имеет самое высокое сродство к электрону, около -200 кДж моль-1.
- Менее 0.5% MXene добавляется в SRP для равномерного распределения без электрической перколяции. Это приводит к увеличению диэлектрической проницаемости без значительного увеличения диэлектрических потерь.
- Благодаря однородному распределению MXene TENG улучшает пиковое напряжение (около 2.9%) и пиковый ток (около 19.5%) по сравнению с предыдущими TENG на основе SRP.
- Благодаря своим динамическим заменяемым дисульфидным связям он также может использоваться повторно без снижения модуля и характеристик ТЭГ.
- При увеличении размера пластины до 4 дюймов пиковая плотность мощности в TENG на основе композита SRP/MXene увеличивается примерно в 8.4 раза. Это достигает 3.80 Вт/м² по сравнению с предыдущими TENG на основе SRP.
- Впервые исследователи создали замкнутую систему переработки отходов среди TENG на основе SRP.
Для смягчения негативного воздействия на окружающую среду и здоровье человека необходимо разработать полимеры с высоким содержанием серы. Они в основном состоят из 7 миллионов тонн элементарная сера полученный в результате процесса гидродесульфурации при очистке бензина и масла.
В ходе этого процесса элементарная сера извлекается из сероводородного газа (H2S) и получается исключительно чистый продукт. другие отходы. С его наивысшим сродством к электрону -200 кДж моль-1 и сродством к электрону -122 кДж моль-1 они становятся перспективным элементом для построения высокопроизводительных TENG. Более того, конечный SRP может быть повторно использован путем термической переработки без критического ухудшения механических свойств из-за их динамически заменяемые дисульфидные связи.
MXene – новый наноматериал
MXene из нового семейства 2D наноматериалы, Оно имеет 2D листообразная структура с высоким аспектным отношением. Он обладает металлической электропроводностью (5000-20,000 1 См см-XNUMX). MXene также имеет металлическое ядро и поверхностные концевые группы на основе оксида и фтора, которые придают ему отрицательно заряженные поверхности.
Отрицательно заряженные поверхности обеспечивают стабильное рассеивание Нанолисты MXene в водной среде. Это дополнительно доказывает преимущество в экологических приложениях и процессах нанесения покрытий на объекты с различной 3D-топографией. Для достижения стабильной дисперсии в водных средах и электропроводности, MXene не требует дополнительное восстановление или окисление процессов.
Улучшение производительности вывода TENG с помощью MXene
Электропроводность и отрицательный поверхностный заряд MXene ответственны за индуцирование микроскопических диполей на границе между полимерной матрицей и MXene. Это повышает диэлектрическую проницаемость полимерных нанокомпозитов. Из различных исследований стало очевидно, что улучшение диэлектрической проницаемости полимерных нанокомпозитов повышает их производительность.
Далее, производительность TENG была улучшена путем регулировки количества MXene, которое контролировало связность структуры MXene. Таким образом, электрическая перколяция также не была затронута. Более того, потребовалось всего 0.4% масс. MXene для достижения наивысшей производительности в TENG.
Кроме того, исследователи реализовали для них процесс масштабирования и коронный разряд. Это привело к увеличению пиковой плотности мощности SRP/MXene TENG. Это позволяет им эффективно питать коммерческую электронику, например, зарядные конденсаторы и светодиоды.
По данным исследователей KIST, Экономически эффективное производство зеленого водорода с использованием активных MXenes.
Процесс создания нанолистов Ti3C2Tx MXene
На следующем рисунке показан синтез водного раствора Ti3C2Tx MXene для отшелушивания MXene на уровне одного слоя и последующего диспергирования в деионизированной воде. Стабильно диспергировать нанолисты MXene в водной среде легко из-за электростатического отталкивания между отрицательно заряженными нанолистами MXene.
Подготовка матрицы SRP включает в себя обратная вулканизация 75% масс. элементарной серы (S) с 25% масс. 1,3-диизопропенилбензола (DIB) в качестве сомономера. Это позволяет получать затвердевшие куски SRP, как показано на рисунке ниже. Кроме того, чтобы предотвратить рекристаллизацию элементарной серы, исследователи провели последующую выпечку кусков SRP в течение 10 минут при 160° C. Это помогает в достижении дальнейших реакций непрореагировавших видов.
Таким образом, были получены химически стабильные куски SRP, которые были измельчены в порошок при температуре стеклования (Tg) ≈17° C. Исследователи использовали коммерческий блендер и жидкий азот для этого процесса. Средний радиус проецируемой области порошка SRP, измеренный с помощью изображений SEM, составляет 18.9 ± 14.4 мкм..
Далее порошок SRP был полностью погружен в водный раствор MXene путем энергичного встряхивания. Затем исследователи использовали его для эффективного покрытия нанолистов MXene путем самосборки путем испарения водной среды в условиях вакуума при комнатной температуре 25° C в течение 72 часов.
Затем, чтобы создать композитную пленку SRP/MXene, интегрированную с AI-электродом, исследователи поместили порошок SRP, покрытый MXene, на AI-фольгу и горячее прессование при 140° C в течение 2 минут. Поскольку дисульфидные связи в матрице SRP могут динамически обмениваться при 140° C, это позволяет им образовывать стабильную пленку при физическом контакте по их границам.
Таким образом, слои MXene плотно окружены и не имеют пустот смежной матрицей SRP с вновь образованными дисульфидными связями. Это обеспечивает однородность и стабильность. Для достижения целевой толщины композитной пленки исследователи систематически изучали влияние температуры на толщину пленки.
Испытания на растяжение
Кроме того, исследователям необходимо проверить, сохранялись ли термомеханические свойства во время измельчения и горячего пропуска. Для этого были проведены испытания деформации на композитных пленках с использованием 0.8% по весу MXene (что было самым высоким содержанием MXene в составе). Было проведено 7 последовательных испытаний деформации с 2-минутными паузами между ними.
Для исследования за пределами линейных вязкоупругих областей, вызывающих структурное разрушение, в каждом испытании применялись деформации в диапазоне от 0.01% до 100%. Это было необходимо для восстановления термомеханических свойств посредством динамического обмена связями.
Модуль композитных пленок SRP/MXene был успешно восстановлен в течение этих 2-минутных пауз. Затем эти композитные пленки были использованы для разработки устройства TENG, которое может быть использовано для вертикального контакта и разделения.
Эффект Тиндаля для Ti3C2Tx MXene
Исследователи также подтвердили эффект Тиндаля с концентрацией 0.02 мг мл-1, облученной общедоступным зеленым лазером. Эффект Тиндаля происходит за счет равномерного распределения нанолистов MXene в водном растворе, что в дальнейшем приводит к рассеянию света.
Узнайте больше о Исследования показывают, что веревки из углеродных нанотрубок обеспечивают более мощное хранение энергии, чем литиевые батареи.
Характеристики синтезированных нанолистов MXene
Синтезированный нанолист имеет следующие особенности:
- Электропроводность – 8,381 ± 319 См см−1 (измерено четырехточечным зондом)
- Поперечный размер – 3.0 ± 2.3 мкм (измерено с помощью сканирующей электронной микроскопии)
- Высота – менее 2 нм (измерено методом атомно-силовой микроскопии), что свидетельствует о высоком соотношении сторон отслоения на уровне монослоя.
В следующей таблице представлен обобщенный вид атомного состава MXene, полученный с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS).
| Атомный процент (%) | |
| С 1с | 22.47 |
| Ф 1с | 17.21 |
| О 1с | 25.33 |
| Ти 2п | 34.56 |
Как показано на следующем рисунке, большая площадь поверхности порошка SRP была достигнута за счет более высокой концентрации водного раствора MXene. Низкое содержание MXene приводит к отсутствию перколяции в композитных пленках, поскольку между собранными слоями MXene имеется значительное расстояние.
Увеличение содержания MXene вызывает реологическую перколяцию, поскольку расстояние между спорадически распределенными слоями меньше. При горячем прессовании полимерные цепи с наполнителями высокой жесткости на границе раздела частично выравниваются. Это приводит к образованию более жестких аморфных фракций.
На данном этапе это легко улучшить модуль упругости композитов SRP/MXene. Кроме того, электрическая перколяция может быть увеличена для соединения посредством физического контакта, образуя трехмерную сетеподобную структуру в матрице SRP. Это приводит к развитию проводящих путей, простирающихся сверху вниз через толщину композитных пленок SRP/MXene.
Равномерное распределение с разделенной структурой
- Темный цвет порошка SRP с покрытием MXene обусловлен повышенным содержанием MXene.
- Затем, по мере увеличения содержания MXene, наблюдалось увеличение интенсивности пика гидроксильной группы (ОН) (3,430 см−1), что было подтверждено спектрами Фурье-преобразования инфракрасного спектра (FT-IR).
- Также не наблюдалось никакого сдвига пика, что явно указывает на взаимодействие между MXene и SRP. Поперечные изображения SEM (яркий участок) показывают возросшую связанность между слоями MXene по мере увеличения его содержания.
- Рисунок e демонстрирует линейную корреляцию между весовой долей атомов Ti и содержанием нанесенного MXene. Следующий рисунок показывает сегрегированные структуры, лакунарность и фрактальную размерность распределенных состояний MXene.
Описание следующего изображения следующее (в алфавитном порядке):
- Цифровые изображения порошка SRP с покрытием MXene (i) и композитной пленки SRP/MXene с различным содержанием MXene (ii)
- Поперечные сечения пленок SEP/MXene с различным содержанием MXene, полученные с помощью СЭМ.
- Атомные изображения поперечного сечения, полученные с помощью EDS-картирования с 0.8 мас.% MXene.
- Высокомасштабные изображения поперечного сечения и атомного картирования, полученные с помощью СЭМ, демонстрируют композитные пленки с 0.4% MXene.
- Массовая доля атома Ti в пленке SRP/MXene в зависимости от содержания MXene.
- Дробная размерность и лакунарность сегрегированной структуры в зависимости от содержания (MXene).
- Модуль упругости в области резиноподобного плато и тангенс угла диэлектрических потерь композитной пленки с различным содержанием MXene.
Диэлектрические свойства композитной пленки SRP/MXene
На следующем рисунке мы можем видеть различные механизмы поляризации чистых пленок SRP и композитных пленок SRP/MXene под действием внешнего электрического поля. В отличие от чистых пленок SRP, здесь поляризационные заряды накапливаются на границе раздела между SRP и MXene.
Более высокая электроотрицательность была замечена в концевых группах слоя. Она больше, чем сера и углерод, присутствующие в матрице SRP. Благодаря этому электронная плотность из матрицы SRP отводится на поверхность слоев MXene. Таким образом, композитные пленки могут генерировать более высокий общий чистый заряд под внешним электронным полем за счет дополнительно накопленного заряда.
Вы читали, как MOF может увеличить фотокаталитическое производство водорода с квантовым выходом 10%, говорится в исследовании OSU?
Выходные характеристики композитных пленок SRP/MXene (12.5 см2)
На следующем рисунке показаны выходные характеристики на основе композитных пленок SRP/MXene. Исследователи измеряют пиковое напряжение и пиковый ток TENG для систематического исследования их выходных характеристик.
Композитные пленки, изготовленные из нанесенного SRP/MXene, обладают следующими характеристиками.
- Средняя толщина – 150 мкм.
- Активная область – 2.5 см × 5.0 см (12.5 см2)
- Частота соприкосновения и разъединения – 30Н и 0.65 Гц.
- Однако по мере увеличения содержания MXene от 0 до 4 мас.% наблюдалось увеличение как пикового напряжения с 68.8 ± 4.5 В, так и Ipeak с 2.5 ± мкА до 161.0 ± 20.0 В и 8.1 ± 1.0 мкА.
Как и ожидалось, трибоэлектрические выходные характеристики были высокими в TENG на основе композита SRP/MXene с 0.4% масс. Далее, параметром выходных характеристик TENG была толщина контактного слоя. Когда она была меньше оптимизированного значения и заряженная поверхность находилась слишком близко к электроду AI, она генерировала отрицательные заряды на композитных пленках.
В то время как, когда толщина была больше оптимальной, положительный заряд не генерировался, поскольку электрическое поле затухало с расстоянием. Таким образом, оптимальная толщина была измерена как ≈500 мкм.
Долгосрочная эксплуатационная стабильность
С помощью 24-часовых испытаний генерации энергии исследователи проверили долгосрочную эксплуатационную стабильность TENG на основе композита SRP/MXene. Стабильная генерация энергии без значительного снижения Vpeak и Ipeak была зафиксирована в течение 24 часов.
Более того, равномерное распределение MXene обеспечивает большую площадь поверхности раздела между MXene и SRP, что обеспечивает замечательные характеристики TENG.
Расшифровка устойчивости TENG на основе композита MXene/SRP
Исследователи экспериментально продемонстрировали это, используя замкнутый цикл переработки.
- Сначала они удалили физически прикрепленный алюминиевый фольгированный электрод из композитной пленки.
- Затем пленку распыляли при температуре ниже Tg жидким азотом.
- Затем его высушили в вакууме, чтобы предотвратить конденсацию влаги.
- Затем они переработали репульверизированный композит SRP/MXene порошок в пленку путем горячего прессования в условиях первоначальной подготовки.
- И снова переработанная пленка была использована для разработки устройств TENG.
Характеристики переработанной композитной пленки MXene/SRP
- Незначительные изменения внешнего вида и цвета
- Резиновое плато оставалось постоянным, и ухудшения не наблюдалось (после 4-кратной переработки пленки)
- Также были сохранены Vpeak и Ipeak.
Для повышения выходной производительности: коронный разряд и масштабирование MXene/SRP (81.1 см2)
После коронного разряда поверхностный потенциал композитных пленок с 0.4% по весу был значительно улучшен. Исследователи искусственно инжектировали сгенерированные электроны в поверхность контактного слоя. Композитная пленка SRP/MXene была масштабирована до 4-дюймовых пластин, чтобы продемонстрировать ее возможности для различных крупномасштабных приложений.
Масштабированный TENG имеет Vpeak (1,717.7 В) и Ipeak (129.0 мкА) соответственно, что составляет около ≈3.6, что в 4.4 раза выше значений, измеренных до коронного разряда.
Исследователи заметили, что при сопротивлении нагрузки 8 мОм пиковая плотность мощности достигала 3.80 Вт м-2. Это в 8.4 раза больше, чем предыдущий зафиксированный набор TENG на основе смеси SRP/PPFS. Более того, требуемая помощь нагрузки была снижена в 12.5 раза по сравнению со старыми рекордами.
При сравнении с ранее описанным TENG на основе MXene с вертикальным контактом и разделением, TENG на основе SRP/MXene продемонстрировал превосходящие или сопоставимые выходные характеристики TENG, включая плотность мощности, Vпик, и Iпик, несмотря на использование значительно малого количества 0.4% масс. MXene. В частности, плотность на частоту TENG на основе SRP/MXene составила около 5.86 Вт м−2 Гц−1.
Исследование показало, что возможно развитие Экологичное воздушное удобрение из измельченных пурпурных морских бактерий.
Предыдущие отчеты о строительстве SRP
2019 – Исследователи представили концепция использования SRP для создания высокопроизводительного TENG путем прямого фторирования поверхности пленки SRP.
Недостатками – При таком подходе используется газ F2, который является легковоспламеняющимся и высокотоксичным, что ставит под угрозу безопасность человека и не обеспечивает экологической устойчивости.
2022 – Полимерная смесь, включающая нелетучий поли (пентафторполистирол) или PPFS, была разработана в матрице SRP для устранения опасностей, связанных с газом F2. Этот TENG 2-го поколения на основе SRP также показал хорошие выходные характеристики по сравнению с TENG 1-го поколения. Кроме того, он показал долгосрочную стабильную генерацию электроэнергии.
Это улучшение стало возможным благодаря новой конструкции процесса, которая позволила локализовать поверхности, обогащенные ППФС, посредством разделения фаз во время термической обработки пленки.
Недостатками – Использование PPFS ограничено 7.5% по весу. Преимущества устойчивых TENG на основе SRP снижаются при использовании PPFS. Загрязнение окружающей среды PPFS по-прежнему остается в цикле, хотя не было предпринято никаких попыток продемонстрировать возможность повторного использования. Поскольку для лучшей работы TENG детали на основе фтора должны быть на поверхности, это затрудняло переработку.
2024 – Композитная система SRP, включающая незначительное количество Ti3C2Tx MXene в качестве нанонаполнителя для разработки устойчивых и высокопроизводительных TENG. Она эффективно устраняет ограничения предыдущих TENG на основе SRP.
Заключение
Таким образом, стало яснее, что этот подход записал эффективный и устойчивый композит с высоким содержанием серы с MXene. Он продемонстрировал высокую плотность мощности и продемонстрировал замкнутый цикл переработки без какого-либо ущерба для производительности устройства TENG. TENG считается экологически чистым, поскольку он использует отходные элементы, серу. Кроме того, эти пленки имеют динамически заменяемые дисульфидные связи, благодаря которым они могут быть повторно использованы репульверизация и термическая обработка Ожидается, что этот инновационный подход позволит преодолеть ограничения предыдущей системы.
Источник: Вспомогательная информация
