Alternatief gelaagde, op MXene composietfilm gebaseerde tribo-elektrische nanogenerator met verbeterde elektrische prestaties

Abstract

Het uitgangsvermogen van de tribo-elektrische nanogenerator (TENG) hangt sterk af van de prestaties van tribo-elektrische materialen, met name microstructuren en functionele groepen daarvan. In dit werk, gericht op het uitstekende tribo-elektrische vermogen, zijn op TENG gebaseerde afwisselend gelaagde MXene-composietfilms met overvloedige fluorgroepen (-F) door laag-voor-laag stapelen ontworpen en gefabriceerd. Profiteren van de uniforme intrinsieke microstructuur en verhoogde diëlektrische constante, wanneer de hoeveelheid van de Nb₂ CT_x nanosheets neemt toe tot 15 gew.%, de TENG op basis van Nb₂ CT_x /Ti₃ C₂ T_x composiet nanosheets films bereikt de maximale output. De kortsluitstroomdichtheid van 8,06 μA/cm² en de spanning van 34,63 V is 8,4 keer en 3,5 keer hoger dan die van pure Ti₃ C₂ T_x films, en respectievelijk 3,3 keer en 4,3 keer meer dan die van commerciële poly(tetrafluorethyleen) (PTFE) films. Bovendien zou de gefabriceerde TENG aan het menselijk lichaam kunnen worden bevestigd om energie te halen uit menselijke bewegingen, zoals typen, sms'en en klappen. De resultaten tonen aan dat de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films door laag-voor-laag stapelen opmerkelijke tribo-elektrische prestaties hebben, die de keuze aan negatieve tribo-elektrische materialen verbreden en een nieuwe keuze bieden voor TENG met hoge output.

Inleiding

Aangezien de wereldwijde temperatuur blijft stijgen, is het dringend noodzakelijk om technologieën voor het oogsten van groene energie te ontwikkelen. TENG op basis van het koppelingseffect van contactopladen en elektrostatische inductie wordt beschouwd als een krachtige technologie die mechanische omgevingsenergie effectief omzet in elektrische energie [1,2,3]. Tot nu toe zijn verschillende soorten TENG's op grote schaal onderzocht vanwege de voordelen van lichtgewicht, eenvoudige fabricage, verschillende materiaalkeuze en hoge energieconversie-efficiëntie [4,5,6]. Hoewel theorieën en experimenten hebben aangetoond dat de prestaties van TENG kunnen worden verbeterd door tribo-elektrische materialen te optimaliseren, blijft het nog steeds een grote uitdaging om de TENG met een hoog uitgangsvermogen te fabriceren. Verschillende eerdere onderzoeken tonen aan dat sommige speciale functionele groepen (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) kan het vermogen van de tribo-elektrische materialen om elektronen te winnen of te verliezen beïnvloeden en zo de contacttribo-elektrificatieprestaties van TENG [10] effectief moduleren.

De MXene, als een nieuwe familie van tweedimensionale (2D) nanomaterialen, is een nieuw type gelaagde overgangsmetaalcarbiden of nitriden die kunnen worden gesynthetiseerd door selectief "A" -elementen uit de voorloper MAX-fase te etsen [11]. De algemene formule van MXenes is M_{n +1} X_n T_x , waarbij M, X en T_x vertegenwoordigen de overgangsmetalen (zoals Sc, Ti, Zr, Hf, V en Nb), C of N (n =-1, 2 of 3) en verschillende oppervlakte-eindgroepen (–F, –OH, = O), respectievelijk [12,13,14]. De -F-groepen hebben het sterkste elektronenzuigende vermogen, terwijl de hogere dichtheid van de -F-groep resulteert in een intensere ladingsdichtheid [15]. De toename van de tussenlaagafstand op nanoschaal tussen de afwisselend gelaagde MXene-nanobladen zal het kanaal van -F-groepen effectief vergroten, wat bevorderlijk is voor meer -F-groepen die tussen de composietfilm-nanobladen stromen. Daarom worden MXenen verwacht als ideale negatieve tribo-elektrische materialen voor TENG's. Daarom worden MXenen verwacht als ideale negatieve tribo-elektrische materialen voor TENG's [16,17,18]. Alle elektrospun poly(vinylalcohol)/Ti₃ C₂ T_x op nanovezel gebaseerde flexibele TENG is gemeld dat de opname van Ti₃ C₂ T_x heeft de diëlektrische eigenschap aanzienlijk verbeterd en dus de tribo-elektrische uitvoerprestaties verbeterd [19]. Ondertussen, Wang et al. presenteren polydimethylsiloxaan nanocomposieten met driedimensionaal onderling verbonden Ti₃ C₂ T_x diende als een negatief tribo-elektrisch materiaal, dat kon worden bereid door unidirectionele vriesdrogen en vacuüm-geassisteerde impregnatiemethoden [20]. Cao et al. rapporteer een zeer flexibele en hoogwaardige waterdichte TENG op basis van een nieuwe stof Ti₃ C₂ T_x /Ecoflex nanocomposiet voor universele energiewinning uit verschillende menselijke bewegingen [21].

Net als veel andere 2D-materialen worden de prestaties van MXene echter belemmerd door de aggregatie ervan [22], wat resulteert in beperkte nanokanalen voor de -F-groep [23]. Om hun elektrochemische eigenschappen ten volle te benutten, heeft Ti₃ C₂ T_x nanosheets met een poreuze structuur en tussenlaagafstandhouders zijn gerapporteerd [24]. De introductie van tussenlaagafstandhouders [25,26,27] (zoals grafeen [28], polymeer [29, 30], grafeenoxide [31] en metaaloxide-nanodeeltjes [32]) in MXene heeft ook de uitvoerprestaties van TENG aanzienlijk verbeterd .

Hier wordt een gestapelde laagstructuur toegepast om afwisselend gelaagde MXene-composietfilms met een overvloedige -F-groep en uniforme intrinsieke microstructuur te ontwerpen en te fabriceren. De Nb₂ CT_x nanosheets worden gekozen als spacer vanwege de hogere elektronegativiteit dan op koolstof gebaseerde nanomaterialen, en Ti₃ C₂ T_x dient als bulkmateriaal vanwege zijn hoge elektronegativiteit. De voorbereide afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films kunnen de zelfherstapeling van Ti₃ effectief verminderen C₂ T_x nanosheets en vergroot de tussenlaag tussen Ti₃ C₂ T_x nanosheets, die effectievere nanokanalen zullen bieden voor de -F-groep. Het bleek dat dergelijke op alternatieve gelaagde MXene-composiet nanosheetfilms gebaseerde TENG (AM-TENG) de beste prestaties behaalt met een gewichtsverhouding van 15% Nb₂ CT_x . De maximale uitgangsstroomdichtheid en spanning zijn 8,06 μA/cm² respectievelijk 34,63 V, wat 8,4 keer en 3,5 keer hoger is dan die van de zuivere Ti₃ C₂ T_x films en 4,1 keer en 4,2 keer meer dan die van de commerciële PTFE-films. Bovendien wordt het vermogen om energie te oogsten van op alternatieve gelaagde MXene-composietfilms gebaseerde TENG gedemonstreerd door middel van condensatoroplading. Dit werk demonstreert een nieuw type tribo-elektrisch materiaal voor een zeer efficiënte oogst van groene energie.

Methoden

Materialen

Alle gebruikte chemicaliën werden niet verder gezuiverd. Ti₃ AlC₂ en Nb₂ AlC-poeders werden gekocht van Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. Isopropylamine werd geleverd door Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Voorbereidingen

Eerst werd 1,6 g LiF (Aladdin) opgelost in 20 ml zoutzuur (Sigma, 9 M) oplossing. Daarna 1,0 g Ti₃ AlC₂ werd langzaam toegevoegd aan (binnen 10 min) bovenstaand mengsel onder continu roeren. Daarna ging de reactie een dag door bij een temperatuur van 35 ℃. Ten derde werd de bereide suspensie verschillende keren gewassen met gedeïoniseerd water totdat de pH 6 bereikte. Ten slotte werd het homogene Ti₃ C₂ T_x oplossing werd gedurende 1 uur onder een ijsbad gesoniceerd en werd verder nog 1 uur bij 3500 tpm gecentrifugeerd. In totaal 1 g Nb₂ AlC-poeder werd geleidelijk (binnen 5 min) toegevoegd aan 10 ml 50 gew.% fluorwaterstofoplossing. Vervolgens werd de oplossing twee dagen constant geroerd bij 35°C om de Al-laag van Nb₂ te etsen. AlC. Na centrifugeren en herhaaldelijk wassen met gedeïoniseerd water, werden de verzamelde sedimenten met een pH van meer dan 6 gedurende één dag bij kamertemperatuur gedispergeerd in 10 ml isopropylamine-oplossing voor verdere intercalatie. Na centrifugeren werd het natte sediment gedispergeerd in 100 ml gedeïoniseerd water. Eindelijk, na een centrifugestap van 1 uur bij een rotatiesnelheid van 3500 tpm, wordt de homogene Nb₂ CT_x oplossing werd verkregen.

Vervaardiging van TENG

De TENG die werkt in de contactscheidingsmodus is gefabriceerd. Eerst werd een stuk koperfolie op een acrylplaat bevestigd om een vierkante elektrode te vormen met een afmeting van 1 cm × 1 cm (lengte × breedte). Vervolgens werd 1 cm × 1 cm nylonfilm bevestigd aan de Cu-folie als wrijvingslaag gebruikt. Vervolgens werd de andere tegenhanger met samengestelde afwisselend gelaagde MXene-composietfilm als wrijvingslaag vervaardigd volgens dezelfde stappen. Vergeleken met de PTFE-TENG is het enige verschil het gebruik van afwisselend gelaagde MXene-composietfilm in plaats van commerciële PTFE-films. De uitgangsspanning bij open circuit, kortsluitstroom en overdrachtslading van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films werden gemeten door Keithley 6517B-elektrometers. Lineaire motor (Linmot E1100) werd toegepast om een externe periodieke trigger te leveren met een frequentie van 2 Hz.

Kenmerken van materialen

De kristallijne structuur werd gekenmerkt door een poeder-röntgendiffractometer (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2θ bereik van 5° tot 60°) met Cu Kɑ-straling. De morfologie van de nanosheets werd bevestigd met behulp van scanning-elektronenmicroscoop (SEM, Hitachi SU8010), en energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) mapping werd uitgevoerd op hetzelfde instrument (IXRF SYSTEMS). Raman (LABRAM HR EVOLUTION) spectra werden verkregen via een confocale Raman-microscoop met een excitatiegolflengte van 532 nm en een spectraalrooster van 1800 lijnen/mm. Spectra werden verkregen door de laser door een 50 × -objectief te focussen. Een LCR-meter (Hioki, IM 3536) werd gebruikt om de diëlektrische constante van de nanosheets te evalueren.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont een schematische illustratie van het stapsgewijze fabricageproces van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films. Een paar lagen Ti₃ C₂ T_x MXene werden bereid door middel van etsprecursoren Ti₃ AlC₂ met behulp van HCl / LiF-oplossing [33] en werden gesoniceerd onder een ijsbad (Fig. 1 I). Volgens Fig. 1 II werden de Al-atoomlagen geëtst met HF uit Nb₂ AlC MAX-fase [27, 34,35,36]. Isopropylamine (I-PrA) -oplossing werd geïntercaleerd tussen meerlaagse Nb₂ CT_x om de tussenlaagafstand te vergroten, gevolgd door handmatig schudden om Nb₂ . te delamineren CT_x in nanosheets met een paar lagen [27]. In de verworven Ti₃ C₂ T_x nanobladen, werden titaniumatomen gerangschikt in een dicht opeengepakte structuur, koolstofatomen vulden de octaëdrische interstitiële plaatsen en T_x (–F, –OH, = O) bevonden zich op het oppervlak van de buitenste Ti-laag, die een gelaagde sandwichstructuur vormt. Evenzo voor Nb₂ CT_x , niobium-atomen vulden de octaëdrische vertexpositie en assembleerden een gelaagde ABAB-structuur. Het waargenomen Tyndall-verstrooiingseffect in Fig. 1 geeft aan dat zowel Ti₃ C₂ T_x oplossing en Nb₂ CT_x oplossing had een uitstekende stabiliteit en dispersiteit, wat het uniform van elke laag beloofde. Ten slotte werden de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films geconstrueerd door ABAB-stapeling onder vacuümfiltratie (aanvullend bestand 1:figuur S1).

Schematische illustratie van het fabricageproces van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films

De karakteriseringen van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films worden weergegeven in Fig. 2. Door middel van etsen van Al-atoomstratificatie van Ti₃ AlC_2, de verworven Ti₃ . met weinig lagen C₂ T_x drukt typische gelamineerde structuur uit, die net als typische MXenes is, zoals aangegeven in Fig. 2a. Zoals getoond in Fig. 2b-f, hebben de gewichtsverhoudingen van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films van 5%, 10%, 15%, 20% en 25% een losse, meerlagige structuur. Bovendien, wanneer Nb₂ CT_x gehalte toeneemt van 5 tot 10 gew.%, neemt de tussenlaag op nanoschaal tussen de nanovellen van de composietfilms geleidelijk toe. Van 15 tot 25 gew.% heeft de tussenlaag op nanoschaal tussen de nanovellen in de composietfilms geen grote veranderingen. Dus de gedelamineerde Ti₃ C₂ T_x nanosheets en afwisselend gelaagde MXene nanosheets worden met succes voorbereid. De homogene menggraad van Nb₂ . verklaren CT_x nanosheets in de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films, worden energiedispersieve röntgenspectroscopie (EDS) mapping-afbeeldingen van de dwarsdoorsnede verkregen. Nb-, Ti-, O- en F-elementen worden in het hele gescande gebied gedetecteerd, zoals weergegeven in figuur 2h (en aanvullend bestand 1:figuur S2). Er kan worden waargenomen dat de Nb- en Ti-elementen gelijk verdeeld zijn in de composietfilms, wat aantoont dat Ti₃ C₂ T_x en Nb₂ CT_x nanosheets worden uniform gestapeld. Om de materiaalfasen en de verandering van de tussenlaagafstand tussen Ti₃ . verder te analyseren C₂ T_x en Nb₂ CT_x nanosheets, röntgendiffractometer (XRD) metingen werden uitgevoerd op zuivere Ti₃ C₂ T_x en afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films. Zoals beschreven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S4a, na selectief etsen en delamineren, de gefabriceerde pure Ti₃ C₂ T_x film vertoont een sterke (002) diffractiepiek bij 7,15 °, wat consistent is met eerder gerapporteerde resultaten [11, 33, 37]. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1:Figuur S4b, is te zien dat de (002) diffractiepiek verschuift van 12,86° voor Nb₂ AlC MAX tot 7,05° voor Nb₂ CT_x film als gevolg van het volledig etsen van Al-atoomlagen [27]. De XPS-resultaten worden weergegeven in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S3. Het F 1 s-spectrum van afwisselend gelaagde MXene in Fig. S3b kan worden gedeconvolueerd in twee pieken bij 684,72 en 686,45 eV, die respectievelijk Ti-F en Al-F vertegenwoordigen. [15, 16] De XRD-resultaten worden ook weergegeven in figuur 2j. Vergelijking tussen de pure Ti₃ C₂ T_x film en 5 gew.% afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet film laat zien dat de intensiteit van de diffractiepiek (002) duidelijk afneemt, wat wijst op de introductie van Nb₂ CT_x nanobladen. Als de Nb₂ CT_x inhoud neemt toe van 10 tot 15 gew.%, veranderingen in de diffractiehoek nemen geleidelijk af, wat betekent dat de tussenlaagafstand van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheetfilms geleidelijk toeneemt als gevolg van de interactie tussen Nb₂ CT_x nanosheets en Ti₃ C₂ T_x nanobladen. Echter, met de Nb₂ CT_x inhoud neemt toe van 20 tot 25 gew.%, de diffractiehoek neemt geleidelijk toe van 0,6170 tot 0,7536 nm (in aanvullend bestand 1:tabel S1). De resultaten laten zien dat als gevolg van de introductie van buitensporige Nb₂ CT_x nanosheets, Nb₂ CT_x nanosheets en Ti₃ C₂ T_x nanosheets stapelen zich op en de tussenlaagafstand van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films wordt verminderd (van 0,7530 tot 0,7371 nm). De XRD-resultaten komen overeen met de SEM-resultaten. Om de samenstelling van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films verder te bevestigen, werd ook Raman-analyse uitgevoerd. Afbeelding 2k toont de Raman-spectra van de Nb₂ CT_x , Ti₃ C₂ T_x , en afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met verschillende Nb₂ CT_x inhoud. De voorbeelden illustreren de verwachte vibratiemodi voor Ti₃ C₂ T_x (Fig. 2k). Pieken van 157, 254, 423 en 615 cm⁻¹ zijn toegewezen aan E _g vibratiemodi van out-of-plane trillingen van Ti- en C-atomen in de afwisselend gelaagde MXene-composietfilms. De piek op 197 cm⁻¹ wordt toegeschreven aan A _g vibratiemodi van de in-plane Ti-, C- en oppervlaktefunctionele groepatomen [38]. Vergeleken met de pure Ti₃ C₂ T_x film, de intensiteit en halve breedte van de E _g piek van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films zijn veranderd, wat aangeeft dat in-plane Ti- en C-trillingen, oppervlaktegroepen en de tussenlaagafstand allemaal zijn veranderd [39], wat kan worden toegeschreven aan de reactie tussen Nb₂ CT_x nanosheets en Ti₃ C₂ T_x nanobladen.

een Het typische SEM-beeld van de Ti₃ C₂ T_x film. Dwarsdoorsnede SEM-beeld van dwarsdoorsnede van afwisselend gelaagde MXene-composietfilms met Nb₂ CT_x inhoud:b 5 gew.%, c 10 gew% d 15 gew%, e 20 gew.%, f 25 gew.%. u EDS-kaartgegevens van 15 gew.% afwisselend gelaagde MXene-film. j XRD-patronen van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films. k Raman-spectra van de Ti₃ C₂ T_x en afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met verschillende verhoudingen

Figuur 3a toont het werkingsmechanisme van AM-TENG, dat contacttribo-elektrificatie en elektrostatische inducties bevat [40]. De AM-TENG werkt in de contactscheidingsmodus, waarbij de bovenste nylonfilm en de onderste afwisselend gelaagde MXene-composiet-nanovelfilm respectievelijk als de positieve en negatieve diëlektrische lagen werken. De elektrische ladingen die tussen de twee wrijvingsoppervlakken worden gegenereerd, bouwen een elektrisch veld op. De verandering van afstand creëert een veranderlijk elektrisch veld, gevolgd door een verplaatsingsstroom tussen de twee elektroden van het externe circuit. Dientengevolge, terwijl de trigger periodiek wordt toegepast en losgelaten op de TENG, trekken elektronen heen en weer tijdens het periodieke contact en de scheiding, waardoor wisselstroom wordt gegenereerd door het externe circuit. Om de rol van de Nb₂ . te evalueren CT_x , de elektrische uitgang van AM-TENG met de Nb₂ CT_x gewichtsverhouding variërend van 0 tot 25% werd uitgevoerd, inclusief nullastspanning (V _oc ), kortsluitstroom (I _sc ) dichtheid en overgedragen ladingsdichtheid (Q _sc ). TENG op basis van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met dezelfde dikte werd gemeten onder dezelfde omstandigheden, zoals weergegeven in Fig. 3b-d. Het is duidelijk dat ik _sc dichtheid, V _oc , en Q _sc van 15 gew.% AM-TENG nam tegelijkertijd opmerkelijk toe vergeleken met die van het zuivere Ti₃ C₂ T_x film. Als het bedrag van de Nb₂ CT_x neemt toe tot 15 gew.%, de gegenereerde output I _sc dichtheid, V _oc , en Q _sc van de AM-TENG geleidelijk verhogen tot 8,06 μA/cm² , 34,63 V en 11,19 nC, die 8,4 keer, 3,5 keer en 3,6 keer hoger zijn dan die van de zuivere Ti₃ C₂ T_x film (0,96 μA/cm² , 9,94 V en 3,08 nC), zoals beschreven in Fig. 3a en b. Wanneer het gewichtsbedrag van Nb₂ CT_x verder stijgt van 15 naar 25%, de I _sc dichtheid, V _oc , en Q _sc verlagen tot 1,97 μA/cm² , 19,74 V en 5,30 nC, respectievelijk. Aanvullend bestand 1:Figuur S5 vat de variatietrend van I . samen _sc dichtheid, V _oc , en Q _sc met de gradiëntverhoging van Nb₂ CT_x gewichtsverhouding.

een Schematisch diagram van AM-TENG in contactscheidingsmodus. b V _oc , c Ik _sc dichtheid, en d V _sc signalen van AM-TENG met verschillende Nb₂ CT_x inhoud op 2 Hz. e Diëlektrische constante van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met verschillende Nb₂ CT_x inhoud

Voor de contactscheidingsmodus van de AM-TENG is de diëlektrische constante een belangrijke parameter om de uitgangsprestaties te bepalen. Daarom werd de diëlektrische constante van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films gekenmerkt door een complex permittiviteitsmodel in het frequentiebereik van 0,1 tot 1000 MHz. Dan is de diëlektrische constante van de Ti₃ C₂ T_x en afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met verschillende Nb₂ CT_x concentraties en frequenties wordt getoond in Fig. 3e. Uit figuur 3e blijkt dat naarmate de doteringsverhouding toeneemt van 0 tot 15 gew.%, de diëlektrische constante toeneemt van 0,02 tot 0,04. Terwijl de gewichtsverhouding verder toeneemt tot 25 gew.%, neemt de diëlektrische constante af van 0,03 tot 0,02. De diëlektrische constante van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-film is hoger dan de pure Ti₃ C₂ T_x film als gevolg van de vorming van het grensvlaknetwerk van microcondensatoren [21]. Bij hogere concentraties is de geleidende tussen Ti₃ C₂ T_x en Nb₂ CT_x waarschijnlijk aggregaten, vormen een geleidend netwerk en vernietigen zo de diëlektrische eigenschappen van afwisselend gelaagde MXene-film. Daarom kan lekkende elektriciteit leiden tot een afname van de outputprestaties [41]. De resultaten laten zien dat de maximale diëlektrische constante wordt verkregen met een 15 gew.% Nb₂ CT_x concentratie, die goed overeenkomt met de elektrische resultaten in Fig. 3b-d. Met andere woorden, met toenemende diëlektrische constante, Nb₂ CT_x inhoud heeft de tribo-elektrische prestaties verder verbeterd.

Om de theoretische relatie tussen de output van AM-TENG en de vulstofconcentratie verder te verduidelijken, kan TENG worden teruggebracht tot een flat-panel condensatormodel in Aanvullend bestand 1:Figuur S6. Elektrische veldsterkte in de luchtspleet en diëlektricum wordt gegeven door [42]:

Binnen diëlektricum 1

$$E_{1} =\frac{{\sigma_{I} (x,t)}}{{\varepsilon_{r1} }}$$ (1)

Binnen diëlektricum 2

$$E_{2} =\frac{{\sigma_{I} (x,t)}}{{\varepsilon_{r2} }}$$ (2)

Luchtspleet binnen

$$E_{{{\text{air}}}} =\frac{{\sigma_{I} (x,t) - \sigma_{c} }}{{\varepsilon_{o} }}$$ (3 )

$\upsigma _{c}$ is de oppervlakteladingsdichtheid. De afstand (x ) van twee tribo-elektrische lagen varieert met mechanische kracht, en $\upsigma _{I}$(x, t) worden vrije elektronen overgedragen in de elektrode. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{o}$ is vacuüm permittiviteit, en d ₁ en d ₂ zijn de dikte van diëlektrisch materiaal. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ en ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}$ zijn relatieve diëlektrische constante van diëlektricum 1 en relatieve diëlektrische constante van diëlektricum 2, respectievelijk.

De spanning tussen de twee elektroden kan worden gegeven door

$$V =\sigma_{I} (x,t)\left( {\frac{{d_{1} }}{{\varepsilon_{r1} }} + \frac{{d_{2} }}{{ \varepsilon_{r2} }}} \right) + \frac{{x[\sigma_{I} (x,t) - \sigma_{c} ]}}{{\varepsilon_{o} }}$$ (4 )

Onder kortsluitingsomstandigheden en V = 0

$$\sigma_{I} (x,t) =\frac{{x\sigma_{c} }}{{\frac{{\varepsilon_{o} d_{1} }}{{\varepsilon_{r1} } } + \frac{{\varepsilon_{o} d_{1} }}{{\varepsilon_{r1} }} + x}}$$ (5)

Vergelijking (5) laat zien dat de overdrachtsladingsdichtheid $\upsigma _{I}$ toeneemt met een toename van de tribo-elektrische ladingsdichtheid $\upsigma _{c}$ op het diëlektrische oppervlak en de permittiviteit van het diëlektricum $ {{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ en ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$, respectievelijk. Volgens de formule neemt de elektrische output toe naarmate de diëlektrische constante van het diëlektrische materiaal toeneemt, wat de experimentele resultaten in figuur 3 stevig ondersteunt.

Om de wrijvingseigenschappen van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films verder te schatten, werd een commerciële PTFE-film met dezelfde -F-functionele groep vergeleken. Onder dezelfde testomstandigheden, zoals weergegeven in Fig. 4a–c, is de I _pp-sc van 8,65 μA/cm² , V _oc van 37,63 V en Q _sc van respectievelijk 13,24 nC is 4,3 keer, 3,3 keer en 3,0 keer hoger dan die van de commerciële PTFE-film. Het illustreert dat afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-film een veelbelovend tribo-elektrisch materiaal is. Afbeelding 4d toont de stroomdichtheid, spanning op basis van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met 15 gew.% Nb₂ CT_x als functie van externe belastingsweerstand variërend van 0,01 tot 80 MΩ. Uiteraard neemt de kortsluitstroomdichtheid af met de toename van de aangesloten externe weerstand, terwijl de V _oc volgt een stijgende trend. Het momentane vermogen van de TENG wordt verkregen door de gemeten belastingsspanning en stroomdichtheid met de weerstanden te berekenen. Het corresponderende piekvermogen van de TENG is ongeveer 0,10 mW/cm² onder een belastingsweerstand van 5 MΩ (Fig. 4e). We verkenden ook de praktische toepassing van TENG als zowel een energieoogster als een stroomvoorziening. Na rectificatie zijn de spanningen die kunnen worden opgeslagen door de condensatoren van 1,0 F, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF en 10,0 μF gedurende 180 s op te laden, respectievelijk 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V en 0,22 V (Fig. 4f).

De uitvoerprestaties van AM-TENG op basis van composietfilm met 15% Nb₂ CT_x inhoud of commerciële PTFE-film. een V _oc , b Ik _sc dichtheid, en c V _sc . d De uitgangsstroomdichtheid en spanning en e vermogensdichtheid van am-TENG op basis van composietfilm met 15 gew.% Nb₂ CT_x inhoud als functie van de externe belastingsweerstand. v Analyse van de oplaadprestaties van de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films onder verschillende capaciteitscapaciteiten

Bovendien kan de AM-TENG mechanische energie uit eenvoudige menselijke bewegingen halen en omzetten in elektrische signalen. De V _oc van het apparaat onder verschillende menselijke bewegingen, zoals het gebruik van de muis, sms'en, typen, met de hand slaan, met de hand tikken en met de hand klappen, werd opgenomen. Zoals weergegeven in Afb. 5a en Aanvullend bestand 2:video 1 in de ondersteunende informatie, produceert continu gebruik van de muis een V _oc van 2,45 V. Daarna, bij het schuiven en sms'en op de mobiele telefoon (Fig. 5b en aanvullend bestand 3:Video 2), laat het resultaat zien dat een V _oc van 2,46 V werd verkregen. Vervolgens, zoals in figuur 5c en 5d wordt weergegeven (aanvullende bestanden 4, 5:video 3 en 4), produceren met de hand slaande benen en met de hand tikkende benen V _oc van respectievelijk 9,30 V en 18,68 V. En dan, uit Fig. 5e en Aanvullend bestand 6:Video 5, wordt geverifieerd dat met de hand tikkende benen een V opleveren _oc van 18,72 V. Tot slot, in Fig. 5f (Extra bestand 7:Video 6), een V _oc van 27,61 V wordt gegenereerd door met de hand te klappen. Samenvattend is het blijkbaar geworden dat de AM-TENG een enorm toepassingspotentieel heeft in draagbare toepassingen.

V _oc signalen van AM-TENG onder verschillende bewegingstoestanden. een Met muis, b Sms'en, c Typen, d Handen slaan, e Met de hand tikken, f Handen klappen

Conclusie

Samenvattend werd met succes hoogwaardige TENG gefabriceerd op basis van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films met een overvloedige -F-groep door laag-voor-laag stapelen. De geïntroduceerde Nb₂ CT_x tussenlagen beloven niet alleen de uniforme intrinsieke microstructuur van de composietfilms en bieden meer nanokanalen voor effectieve -F-groepen, maar verhogen ook de diëlektrische constante. Wanneer het bedrag van de Nb₂ CT_x stijgt tot 15 gew.%, de TENG op basis van afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films bereikt de maximale output. De kortsluitstroomdichtheid en spanning van 8,06 μA/cm² en 34,63 V is 8,4 keer en 3,5 keer hoger dan die van de zuivere Ti₃ C₂ T_x film en 4,3 keer en 3,3 keer meer dan die van de commerciële poly(tetrafluorethyleen)(PTFE) film. Bovendien kan de gefabriceerde TENG aan het menselijk lichaam worden bevestigd om energie te halen uit eenvoudige menselijke bewegingen, zoals typen, sms'en en klappen. De resultaten tonen aan dat de afwisselend gelaagde MXene composiet nanosheet-films door laag-voor-laag stapelen opmerkelijke tribo-elektrische prestaties kunnen hebben, die de tribo-elektrische materiaalfamilie verrijken en een nieuwe keuze bieden voor hoge output TENG.

Beschikbaarheid van gegevens en materialen

Alle gegevens zijn onbeperkt beschikbaar.

Afkortingen

TENG:: Tribo-elektrische nanogenerator
F:: Fluorgroepen
PTFE:: Poly(tetrafluorethyleen)
2D:: Tweedimensionaal
AM-TENG:: Alternatief gelaagde MXene composiet nanosheet films op basis van TENG
XRD:: Röntgendiffractometer
SEM:: Scanning elektronenmicroscoop
EDS:: Energie-dispersieve röntgenspectroscoop
I-PrA:: Isopropylamine
V _oc :: Nullastspanning
Ik _sc :: Kortsluitstroomdichtheid
Q _sc :: Overgedragen ladingsdichtheid

Hoogwaardige groen-emitterende nanodiamanten vervaardigd door HPHT-sintering van polykristallijne schokgolfdiamanten Grafeen-gebaseerde polarisatie-onafhankelijke mid-infrarood elektro-absorptiemodulator geïntegreerd in een chalcogenide glazen golfgeleider

Nanomaterialen

Metaal

Hars

vezel

Samengesteld materiaal