Hållbar Nanogenerator från Upcycled Sulphur från Petroleum Waste

Grön energiutvinning har aktivt forskats på under de senaste decennierna för att uppnå koldioxidneutralitet. Triboelektrisk nanogenerator eller TENG är en lovande grön energiutvinningsmaskin som använder lågfrekvent mekanisk energi som går förlorad från vanlig rörelse för att producera många saker. Sedan utvecklingen 2012 har TENG ansetts vara mycket användbart. Nyligen arbetade ett forskarteam med sitt tidigare koncept med en ny metod och genererade en effektiv och hållbar svavelrik komposit med MXene.

Studiens syfte – Att utveckla nya tribomaterial för att skapa högpresterande TENG:er.

Effektiv och hållbar svavelrik komposit med Mxene

När det gäller de senaste tribomaterialen för TENG:er har dock över 50 % av den nuvarande forskningen använt fluorpolymerer, inklusive polytetrafluoreten (PTFE), fluorerad etylenpropylen (FEP) och polyvinylidenfluorid (PVDF).

Enligt det periodiska systemet har fluor högst elektronaffinitet (1328.2 kJ mol-1) och elektronnegativitet (4.0). Detta innebär att de effektivt kan dra ut elektroner från andra material och generera hög negativ ytladdningstäthet.

På grund av detta har fluorpolymerer använts i stor utsträckning som negativt laddningsbara kontaktskikt för att tillverka TENG. Trots att de är fördelaktiga för materialet har nationella organisationer och samtida forskning utfärdat flera varningar för att använda fluorpolymerer på grund av deras förorenande natur.

Höjdpunkter

• Triboelektriska nanogeneratorer eller TENG använder fluorpolymerer som laddningsbara material i triboelektriska serier.
• Poly- och per-fluoralkylsubstanser (PFAS) som finns i TENG släpps ut i miljön under sin livscykel och orsakar miljöföroreningar.
• SRP eller svavelrik polymer/MXene-komposit är ett hållbart alternativ som erbjuder hög prestanda.
• Svavel är ett rikligt avfall från bensinraffinering och har bland de polymeriserbara atomerna den högsta elektronaffiniteten på cirka −200 kJ mol−1.
• Mindre än 0.5 % MXene läggs till SRP för jämn fördelning utan att orsaka elektrisk perkolation. Detta leder till en ökning av dielektricitetskonstanten utan någon större ökning av dielektrisk förlust.
• Med homogen MXene-fördelning TENG-förbättring i toppspänning (ca 2.9%) och toppström (ca 19.5%) i jämförelse med tidigare SRP-baserade TENG.
• På grund av dess dynamiska utbytbara disulfidbindningar visar den också sin återanvändbarhet utan att reducera modulen och TEG-prestanda.
• När waferstorleken har ökats till 4 tum, är det cirka 8.4 gånger ökningen av toppeffekttätheten i SRP/MXene-kompositbaserad TENG. Detta når 3.80 W/m² i jämförelse med tidigare TENG baserat på SRP.
• För första gången etablerade forskare också ett återvinningssystem i slutet kretslopp bland SRP-baserade TENG.

För att mildra negativa effekter på miljön och människors hälsa behöver svavelrika polymerer utvecklas. De består huvudsakligen av 7 miljoner ton elementärt svavel som utvinns från hydroavsvavlingsprocessen vid raffinering av bensin och olja.

Under processen extraheras elementärt svavel från vätesulfidgas (H2S) vilket resulterar i ett material som är exceptionellt renare än annat avfall . Med sin högsta elektronaffinitet på -200 kJ mol-1 och elektronaffinitet på -122 kJ mol-1 blir de ett lovande element för att konstruera högpresterande TENG. Dessutom kan slutanvända SRP återanvändas genom termisk upparbetning utan kritisk försämring av mekaniska egenskaper på grund av deras dynamiskt utbytbara disulfidbindningar.

MXene – det nya nanomaterialet

MXene kommer från en ny familj av 2D-nanomaterial . Det har en 2D-arkliknande struktur med ett högt aspektförhållande. Det har metallisk elektrisk ledningsförmåga (5000–20,000 1 S cm⁻¹). MXene har också en metallisk kärna och oxid- och fluorbaserade ytterminalgrupper, vilket ger det negativt laddade ytor.

Negativt laddade ytor ger stabil dispersion av MXene-nanoskikt i vattenhaltiga medier . Detta visar sig vara ytterligare fördelaktigt i miljötillämpningar och beläggningsprocesser för objekt med varierande 3D-topografi. För att uppnå stabil dispersion i vattenhaltiga medier och elektrisk ledningsförmåga kräver MXene inte ytterligare reduktions- eller oxidationsprocesser.

TENG Utgångsprestandaförbättringar med MXene

Elektrisk ledningsförmåga och negativ ytladdning av MXene är ansvarig för att inducera mikroskopiska dipoler vid gränsytan mellan polymermatrisen och MXene. Detta ökar dielektricitetskonstanten för polymera nanokompositer. Från olika forskning har det varit uppenbart att en förbättring av den dielektriska konstanten för polymera nanokompositer förbättrar deras prestanda.

Vidare förbättrades prestandan hos TENG genom att justera mängden MXene, vilket kontrollerade MXene-strukturens konnektivitet. På så sätt påverkades inte heller den elektriska perkoleringen. Dessutom krävdes endast 0.4 viktprocent MXene för att uppnå högsta möjliga prestanda i TENG.

Dessutom implementerade forskare uppskalningsprocessen och coronaurladdning för dem. Det resulterade i en ökning av toppeffekttätheten för SRP/MXene TENG. Detta gör det möjligt för dem att effektivt driva kommersiell elektronik som laddningskondensatorer och lysdioder.

Enligt KIST-forskare är kostnadseffektiv grön vätgasproduktion med aktiva MXener.

Process för att generera Ti3C2Tx MXene Nanosheets

Följande figur visar syntesen av en Ti3C2Tx MXene vattenlösning för att exfoliera MXene på enkelskiktsnivå och sedan dispergeras i deloniserat vatten. Det är lätt att stabilt dispergera MXene nanosheets i vattenhaltiga medier på grund av elektrostatisk repulsion bland negativt laddade MXene nanosheets.

SRP-matrisberedning innefattar invers vulkanisering av 75 viktprocent elementärt svavel (S) med 25 viktprocent 1,3-diisopropenylbensen (DIB) som sammonomer . Detta möjliggör erhållande av stelnade SRP-bitar som visas på bilden nedan. För att förhindra omkristallisation av elementärt svavel utförde forskarna dessutom efterbakning på SRP-bitarna i 10 minuter vid 160° C. Detta bidrar till att uppnå ytterligare reaktioner av de oreagerade ämnena.

Således erhölls kemiskt stabila SRP-bitar som pulveriserades till pulverform vid en glasövergångstemperatur ( Tg ) på ≈17 °C. Forskarna använde en kommersiell bländare och flytande kväve för processen. Den genomsnittliga projicerade arearadien för SRP-pulver mätt från SEM-bilder är 18.9 ± 14.4 µm.

Vidare nedsänktes SRP-pulver helt i MXene-vattenlösning genom kraftig skakning. Sedan använde forskare det för att effektivt belägga MXene nanosheets genom självmontering via förångning av vattenhaltiga medier under vakuumförhållanden vid rumstemperatur 25 ° C i 72 timmar.

För att sedan tillverka en SRP/MXene-kompositfilm integrerad med AI-elektrod placerade forskarna MXene-belagt SRP-pulver på AI-folie och varmpressade vid 140 °C i 2 minuter . Eftersom disulfidbindningarna i SRP-matrisen kan utbytas dynamiskt vid 140 °C, gör det att de kan bilda en stabil film när de kommer i fysisk kontakt längs sina gränser.

Således är MXene-skikten tätt omgivna och har inga hålrum av en intilliggande SRP-matris med nybildade disulfidbindningar. Detta säkerställer enhetlighet och stabilitet. För att uppnå måltjockleken för kompositfilmen undersökte forskare systematiskt temperaturens effekt på filmtjockleken.

Stamsveptest

Dessutom måste forskare kontrollera om termomekaniska egenskaper bibehölls under pulverisering och varmpassering. För detta töjningssvepetester utfördes på kompositfilmerna med användning av 0.8 viktprocent MXene (vilket var den högsta MXenen i innehållet). 7 på varandra följande strain sweep-tester utfördes med 2 minuters pauser emellan.

För att utforska bortom linjära viskoelastiska regioner som inducerar strukturell förstörelse, applicerades stammar från 0.01 % till 100 % vid varje test. Detta var nödvändigt för att återvinna termomekaniska egenskaper genom dynamiskt bindningsutbyte.

SRP/MXene-kompositfilmernas modul återställdes framgångsrikt under dessa 2-minuters pauser. Sedan användes dessa kompositfilmer för att utveckla TENG-enheten som kan användas för vertikal kontakt och separation.

Tyndall-effekten av Ti3C2Tx MXene

Forskare bekräftade också Tyndall-effekten med en koncentration på 0.02 mg ml-1 bestrålad under en allmänt tillgänglig grön laser. Tyndall-effekten uppstår genom jämn fördelning av MXene nanosheets i en vattenlösning, vilket ytterligare leder till ljusspridning.

Forskning visar att man kan hitta mer information om gigantisk energilagring i kolnanorörsrep än i litiumbatterier.

Egenskaper för syntetiserade MXene Nanosheets

Det syntetiserade nanoarket har följande funktioner:

• Elektrisk ledningsförmåga – 8,381 319 ± 1 S cm−XNUMX (mätt med en fyrpunktssond)
• Lateral storlek – 3.0 ± 2.3 µm (mätt via svepelektronmikroskopi)
• Höjd – mindre än 2 nm (mätt med atomkraftsmikroskopi), vilket indikerar ett högt bildförhållande av exfoliering på monolagernivå.

Följande tabell presenterar en sammanfattad bild av den atomära sammansättningen av MXene från röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) mätning.

	Atomprocent (%)
C1s	22.47
F 1s	17.21
O 1s	25.33
Ti 2p	34.56

Som följande figur visar uppnåddes den större ytarean av SRP-pulver genom en högre koncentration av MXene-vattenlösning. Lågt MXene-innehåll leder till ingen perkolering i kompositfilmerna eftersom det finns ett stort avstånd mellan sammansatta MXene-skikt.

En ökning av MXen-halten utlöser reologisk perkolering eftersom avståndet mellan sporadiskt fördelade lager är mindre. Under varmpressning upplinjeras polymerkedjor med högstyva fyllmedel vid gränssnittet delvis. Detta resulterar i styvare amorfa fraktioner.

I detta skede är det enkelt att förbättra elasticitetsmodulen hos SRP/MXene-kompositer. Dessutom kan den elektriska perkoleringen ökas för att sammankoppla genom fysisk kontakt och bilda en 3D-nätverksliknande struktur i SRP-matrisen. Detta leder till utvecklingen av ledande banor som sträcker sig från topp till botten genom tjockleken på SRP/MXene-kompositfilmerna.

Enhetlig distribution med segregerad struktur

• Den mörka färgen på det MXene-belagda SRP-pulvret beror på ökat MXene-innehåll.
• Därefter, när MXene-innehållet ökade, skedde en ökning i intensiteten av hydroxylgrupp (OH)-topp (3,430 1 cm-XNUMX) vilket bekräftades av Fourier-transform infraröd (FT-IR) spektra.
• Dessutom observerades ingen toppförskjutning, vilket tydligt tyder på interaktioner mellan MXene och SRP. Tvärsnitts-SEM-bilder (ljus sektion) visar den ökade anslutningen mellan lager i MXene när innehållet ökar.
• Figur e visar en linjär korrelation mellan en viktfraktion av Ti-atomer och applicerat MXene-innehåll. Nästa figur visar de segregerade strukturerna, lakariteten och fraktaldimensionen av distribuerade tillstånd av MXene.

Beskrivningen av följande bild är följande (alfabetisk ordning):

1. Digitala bilder av MXene-belagt SRP-pulver (i) och SRP/MXene-kompositfilm med varierat MXene-innehåll (ii)
2. SEM-bilder i tvärsnitt av SEP/MXene-filmer med varierande MXene-innehåll.
3. Tvärsnittsbilder av EDS-atomkartläggning med 0.8 viktprocent MXene.
4. SEM-tvärsnitts- och atomkartläggningsbilder med hög magnitud visar kompositfilmer med 0.4 % MXene.
5. Viktfraktion av Ti-atom i SRP/MXene-film som MXene-innehåll fungerar.
6. Bråkdimension och brist på segregerad struktur kontra innehåll (MXene).
7. Lagringsmodul vid gummiartad platåregion och tan max för kompositfilmen med varierande MXene-innehåll.

Dielektriska egenskaper hos SRP/MXene-kompositfilm

Från följande figur kan vi se olika polarisationsmekanismer för snygga SRP-filmer och SRP/MXene-kompositfilmer under externt e-fält. Till skillnad från snygga SRP-filmer ackumuleras här polarisationsladdningar vid gränssnittet mellan SRP och MXene.

Högre elektronegativitet sågs i terminala grupper av skiktet. Det är mer än svavel och kol som finns i SRP-matrisen. På grund av detta dras elektrondensiteten från SRP-matrisen till ytan av MXene-skikten. Således kan kompositfilmerna generera en högre total nettoladdning under det externa e-fältet på grund av ytterligare ackumulerad laddning.

Har du läst hur MOF kan öka fotokatalytisk vätgasproduktion med 10 % kvantutbyte, säger OSU-forskning?

Uteffekt för SRP/MXene-kompositfilmer (12.5 cm2)

Följande figur visar uteffekten baserad på SRP/MXene-kompositfilmer. Forskare mäter toppspänningen och toppströmmen för TENG för att systematiskt undersöka deras uteffekt.

Kompositfilmerna gjorda av applicerad SRP/MXene har följande egenskaper.

• Medeltjocklek – 150 μm
• Aktivt område – 2.5 cm × 5.0 cm (12.5 cm2)
• Frekvens för kontakt och separation – 30N och 0.65 Hz
• Men när innehållet av MXene stiger från 0 till 4 viktprocent, skedde en ökning av både toppspänningen från 68.8 ± 4.5 och Ipeak från 2.5 ± till μA till 161.0 ± 20.0V och 8.1 ± 1.0 μA.

Som väntat var den triboelektriska uteffekten hög i SRP/MXene-kompositbaserad TENG med 0.4 viktprocent. Därefter var en parameter i TENG-utgångsprestanda tjockleken på kontaktskiktet. När det var lägre än det optimerade värdet och den laddade ytan var för nära AI-elektroden genererade den negativa laddningar på kompositfilmerna.

När tjockleken var mer än optimal, genererades inte en positiv laddning eftersom det elektriska fältet avklingade med avståndet. Således uppmättes den optimala tjockleken till ≈500 μm.

Långsiktig driftstabilitet

Med 24-timmars kraftgenereringstester kontrollerade forskare den långsiktiga driftsstabiliteten hos SRP/MXene-kompositbaserade TENG. Stabil kraftgenerering utan signifikanta minskningar av Vpeak och Ipeak registrerades under 24 timmar.

Dessutom inducerar enhetlig MXene-distribution ett stort gränssnittsområde mellan MXene och SRP, vilket möjliggör de anmärkningsvärda TENG-prestanda.

Dechiffrera hållbarheten hos MXene/SRP-kompositbaserad TENG

Forskare demonstrerade det experimentellt med en hel återvinningsprocess i slutet kretslopp.

• De tog först bort den fysiskt fästa AI-folieelektroden från kompositfilmen
• Därefter pulveriserades filmen under Tg med flytande kväve.
• Den vakuumtorkades sedan för att förhindra fuktkondensering.
• Sedan bearbetade de om återpulveriserad SRP/MXene-komposit pulver till en film genom att varmpressa den under de initiala förberedelserna.
• Återigen användes den återvunna filmen för att utveckla TENG-enheter.

Egenskaper för återvunnen MXene/SRP-kompositfilm

• Försumbara förändringar i utseende och färg
• Gummiplatån förblev konstant och det fanns ingen försämring (efter återvinning av filmen 4 gånger)
• Vpeak och Ipeak behölls också.

För att förbättra uteffekten: Corona-urladdning och uppskalning av MXene/SRP (81.1 cm2)

Efter koronaurladdning förbättrades ytpotentialen hos kompositfilmerna avsevärt med 0.4 viktprocent. Forskarna injicerade artificiellt de genererade elektronerna i kontaktlagrets yta. SRP/MXene-kompositfilmen skalades upp till 4-tums wafers för att demonstrera dess möjligheter för olika storskaliga tillämpningar.

Uppskalad TENG har Vpeak (1,717.7 129.0 V) respektive Ipeak (3.6 μA), vilket är runt ≈4.4 vilket gör den XNUMX gånger högre än de som uppmättes innan koronaurladdningen.

Forskare märkte att vid belastningsmotståndet på 8 mΩ nådde toppeffekttätheten 3.80 W m-2. Detta är en 8.4-faldig ökning än den tidigare registrerade uppsättningen av SRP/PPFS-blandningsbaserade TENG. Dessutom reducerades den erforderliga lasthjälpen med en faktor 12.5 jämfört med gamla rekord.

När vi jämförde med tidigare rapporterad MXene-baserad TENG i vertikal kontakt och separationsläge, uppvisade SRP/MXene-baserad TENG överlägsen eller jämförbar TENG-utgångsprestanda inklusive effekttäthet, V- topp och I -topp trots att man använde en betydligt liten mängd på 0.4 viktprocent MXene. Speciellt var densiteten per frekvens för SRP/MXene-baserad TENG cirka 5.86 W m−2 Hz−1.

En forskning visade att det är möjligt att utveckla miljövänligt luftgödselmedel från mosade lila marina bakterier.

Tidigare rapporter om SRP-konstruktion

2019 – Forskare introducerade konceptet att använda SRP för att konstruera en högpresterande TENG genom att direkt fluorera SRP-filmytan.

Nackdelar – Denna metod använder F2-gas som är brandfarlig och mycket giftig, vilket äventyrar människors säkerhet och inte erbjuder miljömässig hållbarhet.

2022 – En polymerblandning som innehåller icke-flyktig poly(pentafluoropolystyren) eller PPFS utvecklades i SRP-matrisen för att hantera de faror som är förknippade med F2-gas. Denna andra generationens SRP-baserade TENG visade också god prestanda jämfört med första generationens. Den visade också långsiktigt stabil kraftproduktion.

Denna förbättring kom av en ny bearbetningsdesign som gjorde att PPFS-rika ytor kunde lokaliseras genom fasseparation under termisk filmbearbetning.

Nackdelar – Användningen av PPFS är begränsad till 7.5 viktprocent. Fördelarna med hållbara SRP-baserade TENG-material försämras när PPFS används. Miljöföroreningar från PPFS kvarstår i kretsloppet utan att några försök har gjorts för att visa återanvändbarheten. Eftersom fluorbaserade delar bör finnas på ytan för att TENG ska fungera bättre, gjorde det upparbetning svår.

2024 – SRP-kompositsystem som innehåller en minimal mängd Ti3C2Tx MXene som nanofyllmedel för att utveckla hållbara och högpresterande TENG:er. Det åtgärdar effektivt begränsningarna hos tidigare SRP-baserade TENG:er.

Slutsats

På så sätt blev det tydligare att denna metod visade effektiv och hållbar svavelrik komposit med MXene. Den visade hög effekttäthet och sluten återvinning utan att kompromissa med TENG-enhetens prestanda. TENG anses vara miljövänligt eftersom det använder avfallsämnen, svavel. Dessutom har dessa filmer dynamiskt utbytbara disulfidbindningar, vilket gör att de kan återanvändas genom att pulveriseras och termiskt bearbetas . Denna innovativa metod förväntas övervinna begränsningarna hos det tidigare systemet.

Källainnehåll : Högpresterande men hållbar triboelektrisk nanogenerator baserad på svavelrik polymerkomposit med MXene-segregerad struktur

Källa : Stödjande information