过去几十年来，人们一直积极研究绿色能源收集，以实现碳中和。 摩擦纳米发电机 TENG 是一种很有前途的绿色能量收集器，它利用普通运动中浪费的低频机械能来生产许多东西。自 2012 年开发以来，TENG 一直被认为非常有用。最近，一组研究人员用一种新方法研究了他们之前的概念，并用 MXene 生成了一种高效且可持续的富硫复合材料。
研究目的 – 开发新型摩擦材料，用于制造高性能TENG。
高效、可持续的富含硫的 Mxene 复合材料
然而，关于最先进的 TENG 的摩擦材料，目前超过 50% 的研究都采用了氟聚合物，包括聚四氟乙烯 (PTFE)、氟化乙烯丙烯 (FEP) 和聚偏氟乙烯 (PVDF)。
根据元素周期表，氟具有最高的电子亲和力（1328.2 kJ mol-1）和电子负性（4.0）。这意味着它们可以有效地从其他材料中吸走电子，并产生较高的负表面电荷密度。
因此，氟聚合物被广泛用作制造 TENG 的带负电接触层。尽管这种材料有益，但国家组织和当代研究已多次警告不要使用氟聚合物，因为它们具有污染性质。
核心亮点
- 摩擦电纳米发电机或 TENG 使用氟聚合物作为摩擦电系列中的可充电材料。
- TENG中存在的多氟烷基物质（PFAS）在其生命周期内会释放到环境中并造成环境污染。
- SRP 或富硫聚合物/MXene 复合材料是一种具有高性能的可持续替代品。
- 硫磺是石油精炼过程中产生的一种丰富废弃物，在可聚合原子中具有最高的电子亲和力，约为 -200 kJ mol-1。
- 少于 0.5% 的 MXene 被添加到 SRP 中，以达到均匀分布，而不会引起电渗透。这会导致介电常数增加，而不会增加介电损耗。
- 与之前基于SRP的TENG相比，均匀的MXene分布使TENG的峰值电压（约2.9%）和峰值电流（约19.5%）增强。
- 由于其具有动态可交换的二硫键，还表现出其可重复使用性，而不会降低模量和TEG性能。
- 一旦晶圆尺寸增加到 4 英寸，基于 SRP/MXene 复合材料的 TENG 的峰值功率密度将增加约 8.4 倍。与之前基于 SRP 的 TENG 相比，这一数字达到了 3.80 W/m²。
- 研究人员还首次在基于SRP的TENG之间建立了闭环回收系统。
为了减轻对环境和人类健康的不良影响，需要开发富含硫的聚合物。它们主要由 7 万吨 元素硫 来源于汽油精炼的加氢脱硫过程。
在此过程中，元素硫从硫化氢 (H2S) 气体中提取出来，得到纯度极高的 其他废物. 其最高电子亲和力为 -200 kJ mol-1，电子亲和力为 -122 kJ mol -1，成为构建高性能 TENG 的有前途的元素。此外，由于其优异的耐高温性能，最终使用的 SRP 可以通过热再加工重复使用，而不会严重降低机械性能 动态可交换二硫键.
MXene——新型纳米材料
MXene 属于一个新家族 二维纳米材料。 它有一个 二维片状结构 具有高纵横比。它具有金属电导率（5000-20,000 S cm-1）。MXene 还具有金属核心和氧化物和氟基表面端基，这使其表面带负电。
带负电荷的表面可稳定分散 水介质中的 MXene 纳米片。这进一步证明其在环境应用和具有不同 3D 地形的物体的涂层工艺中具有优势。为了实现在水性介质中的稳定分散和电导率， MXene 不需要 额外的还原或氧化 流程。
利用 MXene 增强 TENG 输出性能
MXene 的电导性和负表面电荷负责在聚合物基质和 MXene 之间的界面处诱导微观偶极子。这提高了聚合物纳米复合材料的介电常数。从各种研究中可以看出，提高聚合物纳米复合材料的介电常数可以提高其性能。
此外，通过调整 MXene 的量来控制 MXene 结构的连通性，可以提高 TENG 的性能。这样，电渗流也不会受到影响。此外， 仅需 0.4 wt% MXene 实现TENG的最高输出性能。
此外，研究人员还为它们实施了放大工艺和电晕放电。这导致 SRP/MXene TENG 的峰值功率密度增加。这使它们能够高效地为充电电容器和 LED 等商用电子产品供电。
据 KIST 研究人员称， 利用活性 MXenes 实现经济高效的绿色氢气生产.
生成 Ti3C2Tx MXene 纳米片的过程
下图显示了 Ti3C2Tx MXene 水溶液的合成，以单层水平剥离 MXene，然后分散在去离子水中。由于带负电荷的 MXene 纳米片之间存在静电排斥，因此很容易将 MXene 纳米片稳定地分散到水介质中。
SRP基质制备包括 75 wt% 元素硫 (S) 与 25 wt% 1,3-二异丙烯基苯 (DIB) 作为共聚单体的反向硫化。这样就可以获得如下图所示的固化 SRP 块。此外，为了防止元素硫的再结晶，研究人员在 10°C 的温度下对 SRP 块进行了 160 分钟的后烘烤。这有助于实现未反应物质的进一步反应。
因此，获得了化学稳定的SRP块，并在玻璃化转变温度（Tg）≈17°C。研究人员使用商用搅拌机和液氮进行该过程。 从 SEM 图像测量的 SRP 粉末平均投影面积半径为 18.9 ± 14.4 µm.
此外，通过剧烈摇晃将SRP粉末完全浸入MXene水溶液中。然后研究人员利用它在室温25°C的真空条件下通过蒸发水介质72小时，通过自组装有效地涂覆MXene纳米片。
然后，为了制作 AI 电极集成的 SRP/MXene 复合膜，研究人员将 MXene 涂层的 SRP 粉末放在 AI 箔上， 140°C 热压 2 分钟由于SRP基质中的二硫键在140°C时可以动态交换，因此当它们沿边界物理接触时，它们可以形成稳定的薄膜。
因此，MXene 层被相邻的 SRP 基质紧密包围，没有空隙，SRP 基质具有新形成的二硫键。这确保了均匀性和稳定性。为了实现复合膜的目标厚度，研究人员系统地研究了温度对膜厚度的影响。
应变扫描测试
此外，研究人员需要检查在粉碎和热传递过程中热机械性能是否得到保持。为此，使用 0.8 wt% MXene（这是含量最高的 MXene）对复合膜进行了应变扫描测试。进行了 7 次连续应变扫描测试，中间间隔 2 分钟。
为了探索引起结构破坏的线性粘弹性区域以外的区域，每次测试都施加了 0.01% 至 100% 的应变。这对于通过动态键交换恢复热机械性能是必要的。
在这两分钟的暂停过程中，SRP/MXene 复合薄膜的模量成功恢复。然后利用这些复合薄膜开发了可用于垂直接触和分离的 TENG 装置。
Ti3C2Tx MXene 的丁达尔效应
研究人员还证实了在常用的绿色激光照射下，浓度为 0.02 mg mL-1 的 MXene 纳米片会发生丁达尔效应。丁达尔效应的发生是由于 MXene 纳米片在水溶液中均匀分布，进而导致光散射。
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合成的 MXene 纳米片的特性
合成的纳米片具有以下特征：
- 电导率 – 8,381 ± 319 S cm−1（四点探针测量）
- 横向尺寸 – 3.0 ± 2.3 µm（通过扫描电子显微镜测量）
- 高度——小于 2 纳米（通过原子力显微镜测量），这表明单层级剥离的纵横比较高。
下表概括了通过 X 射线光电子能谱 (XPS) 测量得到的 MXene 原子组成。
| 原子百分比（%） | |
| 碳1 | 22.47 |
| F1s 基因 | 17.21 |
| 氧1s | 25.33 |
| 钛 | 34.56 |
如下图所示，通过提高 MXene 水溶液的浓度，SRP 粉末的表面积更大。由于组装的 MXene 层之间存在相当大的距离，因此 MXene 含量较低会导致复合膜中没有渗透。
MXene 含量的增加会引发流变渗透，因为 零散分布层之间的距离 较小。在热压过程中，界面处具有高刚度填料的聚合物链部分对齐。这会产生更坚硬的无定形部分。
目前， 容易增强 SRP/MXene复合材料的弹性模量。此外，电渗透也可以增加，通过物理接触相互连接，在SRP基质中形成三维网络状结构。这导致形成从顶部到底部贯穿SRP/MXene复合膜厚度的导电通路。
具有分离结构的均匀分布
- MXene 涂层的 SRP 粉末颜色较深是由于 MXene 含量增加所致。
- 接下来，随着 MXene 含量的增加，羟基 (OH) 峰 (3,430 cm-1) 的强度增加，这通过傅里叶变换红外 (FT-IR) 光谱得到了证实。
- 此外，没有观察到峰值偏移，这清楚地表明了 MXene 和 SRP 之间的相互作用。横截面 SEM 图像（明亮部分）显示，随着 MXene 含量的增加，MXene 层之间的连通性增强。
- 图 e 展示了 Ti 原子的重量分数与所应用的 MXene 含量之间的线性相关性。下图显示了 MXene 分布状态的分离结构、空隙度和分形维数。
下图的描述如下（按字母顺序排列）：
- MXene 涂层 SRP 粉末 (i) 和具有不同 MXene 含量的 SRP/MXene 复合薄膜 (ii) 的数字图像
- 具有不同 MXene 含量的 SEP/MXene 薄膜的横截面 SEM 图像。
- 含有 0.8 wt% MXene 的横截面 EDS 原子映射图像。
- 高分辨率 SEM 横截面和原子映射图像显示含有 0.4% MXene 的复合薄膜。
- SRP/MXene 薄膜中 Ti 原子的重量分数以 MXene 含量为函数。
- 分离结构与内容（MXene）的分数维度和空隙度。
- 橡胶平台区域的储能模量和具有不同 MXene 含量的复合薄膜的 tan 最大值。
SRP/MXene复合薄膜的介电性能
从下图中我们可以看到在外部电场作用下纯SRP薄膜和SRP/MXene复合薄膜的不同的极化机制。与纯SRP薄膜不同，这里的极化电荷聚集在SRP和MXene之间的界面处。
在该层的端基中观察到了更高的电负性。它比 SRP 基质中存在的硫和碳更多。由于这个原因，来自 SRP 基质的电子密度被拉到 MXene 层的表面。因此，由于额外积累的电荷，复合膜可以在外部电场下产生更高的总净电荷。
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SRP/MXene 复合薄膜（12.5 cm2）的输出性能
下图展示了基于SRP/MXene复合薄膜的输出性能，研究人员通过测量TENG的峰值电压和峰值电流，系统地研究了TENG的输出性能。
应用SRP/MXene制成的复合薄膜具有以下特点。
- 平均厚度 – 150 μm
- 有效面积 – 2.5 厘米 × 5.0 厘米 (12.5 平方厘米)
- 接触和分离频率 - 30N 和 0.65 Hz
- 但是随着 MXene 的含量从 0 wt% 增加到 4 wt%，峰值电压从 68.8 ± 4.5 增加，Ipeak 从 2.5 ± μA 增加到 161.0 ± 20.0V 和 8.1 ± 1.0 μA。
正如预期的那样，0.4 wt% 的 SRP/MXene 复合材料基 TENG 的摩擦电输出性能很高。其次，TENG 输出性能的一个参数是接触层厚度。当它小于优化值且带电表面离 AI 电极太近时，它会在复合膜上产生负电荷。
然而，当厚度超过最佳厚度时，由于电场随距离衰减，因此不会产生正电荷。因此，测得的最佳厚度为≈500μm。
长期运行稳定性
研究人员通过24小时发电测试，检查了基于SRP/MXene复合材料的TENG的长期运行稳定性。在24小时内记录到稳定的发电，Vpeak和Ipeak没有明显降低。
此外，均匀的 MXene 分布会在 MXene 和 SRP 之间产生较大的界面面积，从而实现显著的 TENG 性能。
解读 MXene/SRP 复合材料基 TENG 的可持续性
研究人员通过整个闭环回收过程进行了实验证明这一点。
- 他们首先从复合膜上取下物理连接的 AI 箔电极
- 然后用液氮将薄膜在Tg以下粉碎。
- 然后进行真空干燥以防止水分凝结。
- 然后他们重新处理 粉碎后的 SRP/MXene 复合材料 在初始制备条件下，通过热压将粉末制成薄膜。
- 再次，回收的薄膜被用于开发 TENG 设备。
回收MXene/SRP复合薄膜的特性
- 外观和颜色变化很小
- 橡胶平台保持恒定，且无劣化（薄膜循环使用 4 次后）
- 此外，Vpeak 和 Ipeak 也被保留。
增强输出性能：电晕放电和扩大 MXene/SRP（81.1 cm2）
经过电晕放电，添加0.4 wt%的复合膜表面电位明显提高，研究人员将产生的电子人工注入接触层表面，并将SRP/MXene复合膜放大至4英寸晶圆，展示其在各种大规模应用领域的应用前景。
放大后的TENG分别具有Vpeak（1,717.7 V）和Ipeak（129.0 μA），约为≈3.6，比电晕放电前测量的值高出4.4倍。
研究人员发现，在 8 mΩ 负载电阻下，峰值功率密度达到 3.80 W m-2。这比之前由 SRP/PPFS 混合物制成的 TENG 创下的记录高出 8.4 倍。此外，与旧记录相比，所需的负载辅助减少了 12.5 倍。
与之前报道的垂直接触和分离模式 MXene 基 TENG 相比，基于 SRP/MXene 的 TENG 表现出优异或相当的 TENG 输出性能，包括功率密度、 V峰值，以及 I尽管使用了非常少量的 0.4 wt% MXene，但 TENG 的每频率密度约为 5.86 W m−2 Hz−1。
一项研究表明，有可能开发 用捣碎的紫色海洋细菌制成的环保空气肥料.
关于 SRP 建设的先前报告
2019 – 研究人员引入了 使用 SRP 的概念 通过直接氟化SRP薄膜表面来构建高性能TENG。
缺点 – 这种方法使用易燃且剧毒的 F2 气体，危及人类安全且不具备环境可持续性。
2022 – 为了应对与 F2 气体相关的危险，在 SRP 基质中开发了一种包含非挥发性聚（五氟聚苯乙烯）或 PPFS 的聚合物混合物。与第一代 TENG 相比，这种基于 SRP 的第二代 TENG 也表现出了良好的输出性能。此外，它还表现出长期稳定的发电能力。
这一改进源自一种新的加工设计，该设计使得富含 PPFS 的表面在热膜加工过程中通过相分离进行局部化。
缺点 – PPFS 的使用量限制为 7.5 wt%。使用 PPFS 时，可持续的 SRP 基 TENG 的优势会减弱。PPFS 造成的环境污染仍然存在，没有尝试证明其可重复使用性。由于氟基部件应该在表面以使 TENG 性能更好，因此很难进行再加工。
2024 – SRP 复合系统结合了微量的 Ti3C2Tx MXene 作为纳米填料，用于开发可持续且高性能的 TENG。它有效地解决了以前基于 SRP 的 TENG 的局限性。
结语
这样，我们就可以更清楚地看到，这种方法记录了高效且可持续的富含硫的 MXene 复合材料。它展示了高功率密度，并展示了闭环回收，而不会对 TENG 设备的性能造成任何影响。TENG 被认为是环保的，因为它利用了浪费的元素硫。此外，这些薄膜具有动态可交换的二硫键，因此它们可以被重新使用 再粉碎和热加工 预计这一创新方法将克服先前系统的局限性。
源内容: 基于具有 MXene 隔离结构的富硫聚合物复合材料的高性能可持续摩擦纳米发电机
来源: 支持信息
