Устойчивый наногенератор из переработанной серы из нефтяных отходов

В последние несколько десятилетий активно исследуется технология сбора экологически чистой энергии с целью достижения углеродной нейтральности. Трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ) — это перспективный способ сбора экологически чистой энергии, использующий низкочастотную механическую энергию, теряемую при обычном движении, для производства множества вещей. С момента своего создания в 2012 году ТЭНГ получил широкое признание. Недавно группа исследователей, работая над своей предыдущей концепцией с использованием нового подхода, разработала эффективный и экологически устойчивый композит, богатый серой, на основе MXene.

Цель исследования – разработка новых трибоматериалов для создания высокоэффективных трибоэлектрических генераторов (TENG).

Эффективный и устойчивый композит с высоким содержанием серы и мксеном

Однако, что касается современных трибоматериалов для трибоэлектрических генераторов , более 50% текущих исследований посвящено использованию фторполимеров, 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, богатые серой. В основном они состоят из 7 миллионов тонн элементарной серы, полученной в процессе гидродесульфуризации при переработке нефти.

В процессе обработки элементарная сера извлекается из сероводорода (H2S), в результате чего получаются отходы исключительно высокой чистоты . Благодаря своему максимальному сродству к электронам -200 кДж/моль и -122 кДж/моль, она становится перспективным элементом для создания высокоэффективных трибоэлектрических генераторов (TENG). Более того, отработанный сероводород может быть повторно использован путем термической переработки без существенного ухудшения механических свойств благодаря динамически обмениваемым дисульфидным связям.

MXene – новый наноматериал

MXene относится к новому семейству двумерных наноматериалов . Он имеет двумерную листовидную структуру с высоким соотношением сторон. Обладает металлической электропроводностью (5000-20,000 См·см⁻¹). MXene также имеет металлическое ядро ​​и концевые группы на основе оксидов и фтора, которые придают ему отрицательно заряженную поверхность.

Отрицательно заряженные поверхности обеспечивают стабильную дисперсию нанолистов MXene в водной среде . Это также является преимуществом в экологических приложениях и процессах нанесения покрытий на объекты с различной трехмерной топографией. Для достижения стабильной дисперсии в водной среде и электропроводности MXene не требует дополнительных процессов восстановления или окисления.

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.

Кроме того, производительность TENG была улучшена за счет регулирования количества MXene, что контролировало связность структуры MXene. Таким образом, электрическая перколяция также не пострадала. Более того, для достижения максимальной выходной мощности TENG требовалось всего 0.4 мас.% MXene .

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.

Согласно исследователям из KIST, экономически эффективное производство экологически чистого 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.

Приготовление матрицы SRP включает обратную вулканизацию 75 мас.% элементарной серы (S) с 25 мас.% 1,3-диизопропенилбензола (DIB) в качестве сомономера . Это позволяет получить затвердевшие куски SRP, как показано на изображении ниже. Кроме того, для предотвращения перекристаллизации элементарной серы исследователи проводили последующую термообработку кусков SRP в течение 10 минут при 160°C. Это способствует дальнейшим реакциям непрореагировавших веществ.

Таким образом, были получены химически стабильные куски SRP, которые затем были измельчены в порошок при температуре стеклования ( Tg ) ≈17°C. Для процесса исследователи использовали промышленный блендер и жидкий азот. Средний радиус проекции порошка SRP, измеренный по изображениям 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 из SRP/MXene, интегрированную с электродом из искусственного интеллекта, исследователи поместили порошок SRP, покрытый MXene, на фольгу из искусственного интеллекта и подвергли горячему прессованию 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 вдоль своих границ.

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.

Согласно результатам исследования, в канатах из углеродных нанотрубок удалось получить больше информации о гигантских системах хранения энергии, чем в литий-ионных батареях.

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 запускает реологическую перколяцию, поскольку расстояние между спорадически распределенными слоями уменьшается. В процессе горячего прессования полимерные цепи с высокожесткими наполнителями на границе раздела частично выравниваются. Это приводит к образованию более жестких аморфных фракций.

На этом этапе легко повысить модуль упругости композитов SRP/MXene. Кроме того, можно усилить электрическую перколяцию, обеспечивая взаимосвязь за счет физического контакта и образования трехмерной сетчатой ​​структуры в матрице SRP. Это приводит к развитию проводящих путей, простирающихся сверху вниз по всей толщине 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):

1. Цифровые изображения порошка SRP с покрытием MXene (i) и композитной пленки SRP/MXene с различным содержанием MXene (ii)
2. Поперечные сечения пленок SEP/MXene с различным содержанием MXene, полученные с помощью СЭМ.
3. Атомные изображения поперечного сечения, полученные с помощью EDS-картирования с 0.8 мас.% MXene.
4. Высокомасштабные изображения поперечного сечения и атомного картирования, полученные с помощью СЭМ, демонстрируют композитные пленки с 0.4% MXene.
5. Массовая доля атома Ti в пленке SRP/MXene в зависимости от содержания MXene.
6. Дробная размерность и лакунарность сегрегированной структуры в зависимости от содержания (MXene).
7. 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 о том, как , согласно исследованиям Университета штата Орегон, MOF может повысить фотокаталитическое производство водорода с квантовым выходом в 10%?

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 описанными трибоэлектрическими генераторами на основе MXene с вертикальным контактом и разделением, трибоэлектрический генератор на основе SRP/MXene продемонстрировал превосходные или сопоставимые выходные характеристики, включая плотность мощности, пиковое напряжение V и пиковый ток I , несмотря на использование значительно малого количества MXene (0.4 мас.%). В частности, плотность мощности на частоту для трибоэлектрического генератора на основе SRP/MXene составила около 5.86 Вт·м−2·Гц−1.

Исследование показало, что из измельченных фиолетовых морских бактерий можно разработать экологически чистое воздушное удобрение.

Предыдущие отчеты о строительстве SRP

2019 год – Исследователи представили концепцию использования SRP для создания высокоэффективного трибоэлектрического генератора путем прямого фторирования поверхности пленки SRP.

Недостатки – В этом подходе используется газ F2, который является легковоспламеняющимся и высокотоксичным, что представляет опасность для человека и не обеспечивает экологической устойчивости.

2022 – В матрицу SRP была разработана полимерная смесь, включающая нелетучий поли(пентафторполисидроль) или PPFS, для решения проблем, связанных с газом F2. Этот трибоэлектрический генератор второго поколения на основе SRP также продемонстрировал хорошие выходные характеристики по сравнению с генератором первого поколения. Кроме того, он показал долговременную стабильную выработку электроэнергии.

Это улучшение стало возможным благодаря новой конструкции процесса, которая позволила локализовать поверхности, обогащенные ППФС, посредством разделения фаз во время термической обработки пленки.

Недостатки : использование PPFS ограничено 7.5 мас.%. Преимущества экологически чистых TENG на основе SRP нивелируются при использовании PPFS. Загрязнение окружающей среды PPFS по-прежнему остается проблемой, и не предпринималось никаких попыток продемонстрировать возможность его повторного использования. Поскольку для лучшей работы TENG на поверхности должны находиться фторсодержащие компоненты, это затрудняет переработку.

2024 – Композитная система SRP, включающая небольшое количество Ti3C2Tx MXene в качестве нанонаполнителя, предназначена для разработки устойчивых и высокоэффективных трибоэлектрических генераторов (TENG). Она эффективно устраняет ограничения предыдущих TENG на основе SRP.

Заключение

Таким образом, стало ясно, что данный подход позволил получить эффективный и экологически устойчивый композит, богатый серой, с использованием MXene. Он продемонстрировал высокую плотность мощности и замкнутый цикл переработки без ущерба для производительности трибоэлектрического генератора (TENG). TENG считается экологически чистым, поскольку использует отходы, такие как сера. Кроме того, эти пленки имеют динамически обмениваемые дисульфидные связи, благодаря чему их можно повторно использовать путем измельчения и термической обработки . Ожидается, что этот инновационный подход позволит преодолеть ограничения предыдущей системы.

Исходный контент : Высокоэффективный, но при этом экологичный трибоэлектрический наногенератор на основе богатого серой полимерного композита с сегрегированной структурой MXene.

Источник : Дополнительная информация