Geavanceerde MXene-compositefilm TENG bereikt superieure elektrische output

Samenvatting

De uitgangsvermogen van de tribo-elektrische nanogenerator (TENG) hangt sterk af van de prestaties van tribo-elektrische materialen, met name microstructuren en functionele groepen ervan. In dit werk, gericht op de uitstekende tribo-elektrische capaciteit, zijn alternerend-gelaagde MXene-compositefilms-gebaseerde TENG met overvloedige fluorin-groepen (-F) door laag-voor-laag stapelen ontworpen en geproduceerd. Profiterend van de uniforme intrinsieke microstructuur en verhoogde dielektrische constante, wanneer de hoeveelheid Nb₂CT_x nanosheets toeneemt tot 15 wt%, bereikt de TENG gebaseerd op Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x composite nanosheets films de maximale uitgang. De kortsluiting-stroomdichtheid van 8,06 µA/cm² en spanning van 34,63 V zijn 8,4 keer en 3,5 keer hoger dan die van zuivere Ti₃C₂T_x films, en 3,3 keer en 4,3 keer hoger dan die van commerciële poly(tetrafluoroetheen) (PTFE) films, respectievelijk. Bovendien kan de geproduceerde TENG aan het menselijk lichaam bevestigd worden om energie op te wekken uit menselijke bewegingen, zoals typen, sms'en, en handen klappen. De resultaten tonen aan dat de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films door laag-voor-laag stapelen een opmerkelijke tribo-elektrische prestatie bezitten, wat de keuze van negatieve tribo-elektrische materialen verbreedt en een nieuwe keuze biedt voor hoge-uitgang TENG.

Inleiding

Naarmate de wereldwijde temperatuur blijft stijgen, is het ontwikkelen van groene energie-opwekkingstechnologieen dringend. TENG gebaseerd op het koppelings-effect van contactladen en electrostatische inductie wordt beschouwd als een krachtige technologie die effectief omgevingsmechanische energie omzet in elektrische energie [1,2,3]. Tot nu toe zijn verschillende typen TENGs breed onderzocht vanwege de voordelen van lichtgewicht, eenvoudige fabricatie, diverse materialenkeuze, en hoge energie-omzettingsefficiëntie [4,5,6]. Hoewel theorieën en experimenten hebben geverifieerd dat de prestaties van TENG verbeterd kunnen worden door optimalisatie van tribo-elektrische materialen, blijft het een aanzienlijke uitdaging om de TENG met hoge uitgangsvermogen te fabriceren. Verscheidene eerdere studies tonen aan dat sommige speciale functionele groepen (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) de capaciteit van tribo-elektrische materialen om elektronen te winnen of te verliezen kunnen beïnvloeden en dus effectief de contact-tribo-elektrificatie-prestaties van TENG modelleren [10].

De MXene, als een nieuwe familie van tweedimensionale (2D) nanomaterialen, is een nieuw type gelaagde overgangsmetaal-carbiden of nitriden die gesynthetiseerd kunnen worden door selectief "A" elementen te etsen uit de voorloper MAX-fase [11]. De algemene formule van MXenen is M_n+1X_nT_x, waar M, X, en T_x respectievelijk 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) vertegenwoordigen [12,13,14]. De -F groepen bezitten de sterkste elektronen-onttrekkende capaciteit, terwijl de hogere dichtheid van de -F groep resulteert in een intensere lading-dichtheid [15]. De toename in de nanoschaal tussenlaagruimte tussen de alternerend-gelaagde MXene-nanosheets zal effectief het kanaal van -F groepen vergroten, wat gunstig is voor meer -F groepen die stromen tussen de composite-film nanosheets. Daarom worden MXenen verwacht als ideale negatieve tribo-elektrische materialen voor TENGs. Daarom worden MXenen verwacht als ideale negatieve tribo-elektrische materialen voor TENGs [16,17,18]. Alle elektrogesponnen poly(vinylalcohol)/Ti₃C₂T_x nanofeze-gebaseerde flexibele TENG is gerapporteerd dat de incorporatie van Ti₃C₂T_x de dielektrische eigenschap aanzienlijk heeft verbeterd en dus de tribo-elektrische uitgangsprestaties verbeterd [19]. Tegelijkertijd presenteren Wang et al. polydimethylsiloxaan-nanocomposieten driedimensionaal geïntegreerde Ti₃C₂T_x dienende als negatief tribo-elektrisch materiaal, wat geproduceerd kan worden door unidirectionele vriesdrogings- en vacuüm-geassisteerde impregatiemethoden [20]. Cao et al. rapporteren een hoog flexibele en hoge-prestatie waterdichte TENG gebaseerd op een nieuwe stof Ti₃C₂T_x/Ecoflex-nanocomposiet voor universele energie-opwekking uit verschillende menselijke bewegingen [21].

Echter, zoals veel andere 2D-materialen, wordt de prestatie van MXene belemmerd door de aggregatie ervan, [22] wat resulteert in beperkte nano-kanalen voor -F groep [23]. Om volledig gebruik te maken van hun electrochemische eigenschappen, zijn Ti₃C₂T_x nanosheets met een poreuze structuur en tussenlaag-spacers gerapporteerd [24]. Het introduceren van tussenlaag-spacers [25,26,27] (zoals grafene [28], polymere [29, 30], grafene-oxide [31], en metaaloxide-nanodeeltjes [32]) in MXene heeft ook de uitgangsprestaties van TENG aanzienlijk verbeterd.

Hier wordt een gelaagde gestapelde structuur toegepast om alternerend-gelaagde MXene-compositefilms met overvloedige -F groep en uniforme intrinsieke microstructuur te ontwerpen en te fabriceren. De Nb₂CT_x nanosheets worden gekozen als de spacer vanwege de hogere elektronegativiteit dan koolstof-gebaseerde nanomaterialen, en Ti₃C₂T_x dient als het basismateriaal vanwege de hoge elektronegativiteit. De voorbereide alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films kunnen effectief de zelf-restapeling van Ti₃C₂T_x nanosheets reduceren en de tussenlaagruimte tussen Ti₃C₂T_x nanosheets vergroten, wat meer effectieve nano-kanalen voor -F groep zal bieden. Het is gevonden dat zo'n alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films-gebaseerde TENG (AM-TENG) de beste prestatie bereikt met het gewichtsverhouding van 15% Nb₂CT_x. De maximale uitgangsstroomdichtheid en spanning zijn 8,06 µA/cm² en 34,63 V, respectievelijk, wat 8,4 keer en 3,5 keer hoger is dan die van de zuivere Ti₃C₂T_x films en 4,1 keer en 4,2 keer hoger dan die van de commerciële PTFE-films. Bovendien wordt de energie-opwekkingcapaciteit van alternerend-gelaagde MXene-compositefilms-gebaseerde TENG gedemonstreerd door condensator-opladen. Dit werk demonstreert een nieuw type tribo-elektrisch materiaal voor hoog-efficiënte groene energie-opwekking.

Methoden

Materialen

Alle gebruikte chemicaliën werden niet verder gezuiverd. Ti₃AlC₂ en Nb₂AlC poeders werden gekocht van Shandong Xiyan nieuwe materialen technologie Co., Ltd. Isopropylamine werd geleverd door Shanghai Aladdin Bio-Chem Technologie Co., LTD.

Voorbereidingen

Eerst werd 1,6 g LiF (Aladdin) opgelost in 20 mL chloorwaterstofzuur (Sigma, 9 M) oplossing. Vervolgens werd 1,0 g Ti₃AlC₂ langzaam toegevoegd (binnen 10 min) aan de bovenstaande mengsel onder voorwaarde van continue roeren. Daarna werd de reactie voortgezet gedurende één dag bij temperatuur van 35 °C. Derde, de voorbereide suspensie werd gewassen met gedemineraliseerd water voor meerdere keren tot de pH 6 bereikte. Ten slotte werd de homogene Ti₃C₂T_x oplossing gesonicateerd onder ijsbad gedurende 1 uur en werd verder gecentrifugeerd gedurende nog 1 uur bij 3500 toer/min. In totaal werd 1 g Nb₂AlC poeder geleidelijk toegevoegd (binnen 5 min) in 10 mL van 50 wt% hydrofluorumzuuroplossing. Vervolgens werd de oplossing constant geroerd gedurende twee dagen bij 35 °C om de Al-laag van Nb₂AlC te etsen. Na centrifugatie en herhaald wassen met gedemineraliseerd water, werden de verzamelde sedimenten met pH boven 6 gedispergeerd in 10 mL isopropylamine-oplossing gedurende één dag bij kamertemperatuur voor verdere intercalatie. Na centrifugatie werd het natte sediment gedispergeerd in 100 mL gedemineraliseerd water. Ten slotte, na een 1 uur centrifugestap bij 3500 toer/min draaisnelheid, werd de homogene Nb₂CT_x oplossing verkregen.

Fabricatie van TENG

De TENG werkend onder contact-scheidingsmodus werd geproduceerd. Eerst werd een stuk koperfolie bevestigd op een acrylaatplaat om een vierkante elektrode te vormen met een grootte van 1 cm × 1 cm (lengte × breedte). Vervolgens werd 1 cm × 1 cm nylonfilm bevestigd aan de Cu-folie gebruikt als wrijvingslaag. Vervolgens werd de andere tegenhanger met composite alternerend-gelaagde MXene-compositefilm als wrijvingslaag geproduceerd volgens dezelfde stappen. Vergeleken met de PTFE-TENG, is het enige verschil het gebruik van alternerend-gelaagde MXene-compositefilm in plaats van commerciële PTFE-films. De open-circuit uitgangsspanning, kortsluiting-stroom, en overgedragen lading van de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films werden gemeten met Keithley 6517B electrometers. Lineaire motor (Linmot E1100) werd toegepast om een externe periodieke trigger te leveren bij een frequentie van 2 Hz.

Materialenkarakterisatie

De kristallijne structuur werd gekarakteriseerd door een poeder röntgendiffractometer (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2θ bereik van 5° tot 60°) met Cu Kα-straling. De morfologie van de nanosheets werd bevestigd door gebruik te maken 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 door een confocal Raman-microscoop met een excitatiegolfengte van 532 nm en een spectraal rooster van 1800 lijnen/mm. Spectra werden verkregen door de laser te focussen door een 50× objectief. Een LCR-meter (Hioki, IM 3536) werd gebruikt om de dielektrische constante van de nanosheets te evalueren.

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont een schematische illustratie van de stap-voor-stap fabricatieproces van de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films. Een paar lagen Ti₃C₂T_x MXene werden voorbereid door het etsen van voorlopers Ti₃AlC₂ met behulp van HCl/LiF-oplossing [33] en werden gesonicateerd onder ijsbad (Fig. 1 I). Volgens Fig. 1 II, werden de Al-atoomlagen geëtst door HF uit Nb₂AlC MAX-fase [27, 34,35,36]. Isopropylamine (I-PrA) oplossing werd geïntegreerd tussen meervoudige Nb₂CT_x lagen om de tussenlaagruimte te vergroten, gevolgd door handmatig schudden om Nb₂CT_x te delamineren in weinig-laag nanosheets [27]. In de verkregen Ti₃C₂T_x nanosheets, waren titaniaatomen gerangschikt in een dicht-gepakte structuur, koolstofatomen vulden de octahedrale interstitiële plekken, en T_x (–F, –OH, = O) waren op het oppervlak van de buitenste Ti-laag, wat een gelaagde sandwichstructuur vormde. Op dezelfde manier, voor Nb₂CT_x, vulden niobiumatomen de octahedrale hoekpositie, een gelaagde ABAB-structuur samenstellend. Het waargenomen Tyndall-verstrooiingseffect in Fig. 1 weerspiegelt dat zowel Ti₃C₂T_x oplossing als Nb₂CT_x oplossing een uitstekende stabiliteit en dispersie hadden, wat de uniformiteit van elke laag beloofde. Ten slotte werden de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films geconstrueerd door ABAB-stapelen onder vacuümfiltratie (Aanvullend bestand 1: Figuur S1).

De karakterisaties van alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films worden gepresenteerd in Fig. 2. Door het etsen van Al-atoomstratifizering uit Ti₃AlC₂, drukt de verkregen weinig-laag Ti₃C₂T_x een typische gelaagde structuur uit, wat net als typische MXenen is, zoals aangegeven in Fig. 2a. Zoals getoond in Fig. 2b–f, hebben de gewichtsverhoudingen van alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films van 5%, 10%, 15%, 20%, en 25% een lage, meervoudige-laag structuur. Bovendien, toen de Nb₂CT_x inhoud toeneemt van 5 tot 10 wt%, neemt de nanoschaal tussenlaagruimte tussen de nanosheets van de compositefilms geleidelijk toe. Van 15 tot 25 wt%, heeft de nanoschaal tussenlaagruimte tussen de nanosheets in de compositefilms geen grote veranderingen. Dus zijn de gedelamineerde Ti₃C₂T_x nanosheets en alternerend-gelaagde MXene-nanosheets succesvol voorbereid. Om de homogene mengingsgraad van Nb₂CT_x nanosheets in de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films te verklaren, worden energie-dispersieve röntgenspectroscopie (EDS) mapping-afbeeldingen van de dwarsdoorsnede verkregen. Nb, Ti, O, en F elementen worden gedetecteerd doorheen het gescande gebied, zoals getoond in Fig. 2h (en Aanvullend bestand 1: Figuur S2). Het kan waargenomen worden dat de Nb- en Ti-elementen gelijke verdeling in de compositefilms hebben, wat aantoont dat Ti₃C₂T_x en Nb₂CT_x nanosheets uniform gestapeld zijn. Om de materialefasen en de verandering van tussenlaagruimte tussen Ti₃C₂T_x en Nb₂CT_x nanosheets verder te analyseren, werden röntgendiffractometer (XRD) metingen uitgevoerd op zuivere Ti₃C₂T_x en alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films. Zoals gedetailleerd in Aanvullend bestand 1: Figuur S4a, na selectieve ets en delaminatie, presenteert de geproduceerde zuivere Ti₃C₂T_x film een sterke (002) diffractie-piek op 7,15°, wat consistent is met eerdere gerapporteerde resultaten [11, 33, 37]. Zoals getoond in Aanvullend bestand 1: Figuur S4b, kan gezien worden dat de (002) diffractie-piek verschuift van 12,86° voor Nb₂AlC MAX naar 7,05° voor Nb₂CT_x film door de complete ets van Al-atoomlagen [27]. De XPS-resultaten worden weergegeven in Aanvullend bestand 1: Figuur S3. Het F 1s spectrum van alternerend-gelaagde MXene in Fig. S3b kan gedeconvolueerd worden in twee pieken op 684,72 en 686,45 eV, die Ti-F en Al-F vertegenwoordigen, respectievelijk. [15, 16] De XRD-resultaten worden ook weergegeven in Fig. 2j. Vergelijking tussen de zuivere Ti₃C₂T_x film en 5 wt% alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet film toont aan dat de intensiteit van de diffractie-piek (002) duidelijk afneemt, wat de introductie van Nb₂CT_x nanosheets aangeeft. Naarmate de Nb₂CT_x inhoud toeneemt van 10 tot 15 wt%, nemen de veranderingen in de diffractiehoek geleidelijk af, wat betekent dat de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films tussenlaagruimte geleidelijk toeneemt door de interactie tussen Nb₂CT_x nanosheets en Ti₃C₂T_x nanosheets. Echter, met de Nb₂CT_x inhoud toenemend van 20 tot 25 wt%, neemt de diffractiehoek geleidelijk toe van 0,6170 tot 0,7536 nm (in Aanvullend bestand 1: Tabel S1). De resultaten onthullen dat door de introductie van excessive Nb₂CT_x nanosheets, Nb₂CT_x nanosheets en Ti₃C₂T_x nanosheets ophopen, en de tussenlaagruimte van de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films vermindert (van 0,7530 tot 0,7371 nm). De XRD-resultaten zijn consistent met de SEM-resultaten. Om de samenstelling van alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films verder te bevestigen, werd Raman-analyse ook uitgevoerd. Figuur 2k toont de Raman-spectra van de Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x, en alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films met verschillende Nb₂CT_x inhoud. De monsters illustreren de verwachte trillingsmodi voor Ti₃C₂T_x (Fig. 2k). Pieken op 157, 254, 423, en 615 cm⁻¹ zijn toegewezen aan E_g trillingsmodi van uit-van-vlak trillingen van Ti- en C-atomen in de alternerend-gelaagde MXene-compositefilms. De piek op 197 cm⁻¹ wordt toegeschreven aan A_g trillingsmodi van de in-van-vlak Ti, C, en oppervlakte-functionele-groep atomen [38]. Vergeleken met de zuivere Ti₃C₂T_x film, hebben de intensiteit en halfbreedte van de E_g piek van alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films veranderd, wat aangeeft dat in-van-vlak Ti en C trillingen, oppervlaktegroepen, en de tussenlaagruimte allemaal veranderd zijn [39], wat toegeschreven kan worden aan de reactie tussen Nb₂CT_x nanosheets en Ti₃C₂T_x nanosheets.

Figuur 3a toont het werkingsmechanisme van AM-TENG, wat contact-tribo-elektrificatie en electrostatische inducties bevat [40]. De AM-TENG werkt onder de contact-scheidingsmodus, waar de bovenste nylonfilm en de onderste alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet film werken als de positieve en negatieve diëlektrische lagen, respectievelijk. De elektrische ladingen gegenereerd tussen de twee wrijvingsoppervlakken 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. Gevolgd, als trigger periodiek toegepast en losgelaten wordt aan de TENG, trekken elektronen heen en weer tijdens de periodieke contact en scheiding, wat wisselstroom genereert door het externe circuit. Om de rol van de Nb₂CT_x te evalueren, werd de elektrische uitgang van AM-TENG met de Nb₂CT_x gewichtsverhouding varierend van 0 tot 25% uitgevoerd, met inbegrip van open-circuit spanning (V_oc), kortsluiting-stroom (I_sc) dichtheid, en overgedragen lading dichtheid (Q_sc). TENG gebaseerd op de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films met dezelfde dikte werd gemeten onder dezelfde condities, zoals getoond in Fig. 3b–d. Duidelijk is te zien dat I_sc dichtheid, V_oc, en Q_sc van 15 wt% AM-TENG gelijktijdig aanzienlijk toegenomen ten opzichte van die van de zuivere Ti₃C₂T_x film. Naarmate de hoeveelheid Nb₂CT_x toeneemt tot 15 wt%, nemen de gegenereerde uitgang I_sc dichtheid, V_oc, en Q_sc van de AM-TENG geleidelijk toe tot 8,06 µA/cm², 34,63 V, en 11,19 nC, respectievelijk, wat 8,4 keer, 3,5 keer, en 3,6 keer hoger is dan die van de zuivere Ti₃C₂T_x film (0,96 µA/cm², 9,94 V, en 3,08 nC), zoals beschreven in Fig. 3a en b. Echter, wanneer het gewichtsbedrag van Nb₂CT_x verder toeneemt van 15 tot 25%, dalen de I_sc dichtheid, V_oc, en Q_sc tot 1,97 µA/cm², 19,74 V, en 5,30 nC, respectievelijk. Aanvullend bestand 1: Figuur S5 vat de variatietrend van I_sc dichtheid, V_oc, en Q_sc met de gradient toename van Nb₂CT_x gewichtsverhouding samen.

Voor de contact-scheidingsmodus van de AM-TENG is de dielektrische constante een belangrijke parameter om de uitgangsprestaties te bepalen. Daarom werd de dielektrische constante van alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films gekarakteriseerd door complex permittiviteitsmodel in het frequentiebereik van 0,1 tot 1000 MHz. Vervolgens wordt de dielektrische constante van de Ti₃C₂T_x en alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films met verschillende Nb₂CT_x concentraties en frequenties getoond in Fig. 3e. Het kan gezien worden uit Fig. 3e dat naarmate de dopingsverhouding toeneemt van 0 tot 15 wt%, de dielektrische constante toeneemt van 0,02 tot 0,04. Met de gewichtsverhouding verder toenemend tot 25 wt%, daalt de dielektrische constante van 0,03 tot 0,02. De dielektrische constante van de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet film is hoger dan de zuivere Ti₃C₂T_x film door de vorming van het microcondensator-interfaciale netwerk [21]. Bij hogere concentraties, is de geleiding tussen Ti₃C₂T_x en Nb₂CT_x waarschijnlijk geaggregeerd, een leidend netwerk vormend en dus de dielektrische eigenschappen van alternerend-gelaagde MXene-film vernietigend. Daarom kan lekkagestroom leiden tot een afname in uitgangsprestaties [41]. De resultaten onthullen dat de maximale dielektrische constante verkregen wordt met een 15 wt% Nb₂CT_x concentratie, wat goede consistentie heeft met de elektrische resultaten in Fig. 3b-d. Met andere woorden, met toenemende dielektrische constante, versterkte Nb₂CT_x inhoud de tribo-elektrische prestaties verder.

Om de theoretische relatie tussen de uitgang van AM-TENG en vulstofconcentratie verder te verduidelijken, kan TENG gereduceerd worden tot een plat-panelen-condensatormodel in Aanvullend bestand 1: Figuur S6. Elektrisch veldsterkte in de luchtspeling 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)

Binnen luchtspeling

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

σ_c is oppervlakteladingsdichtheid. De afstand (x) van twee tribo-elektrische lagen varieert met mechanische kracht, en σ_I(x, t) is overgedragen vrije elektronen in de elektrode. ε_o is vacuüm-permittiviteit, en d₁ en d₂ zijn de dikte van diëlektrisch materiaal. ε_r1 en ε_r2 zijn relatieve dielektrische constante van diëlektricum 1 en relatieve dielektrische constante van diëlektricum 2, respectievelijk.

De spanning tussen de twee elektroden kan gegeven worden 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 kortsluitingscondities 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) toont aan dat de overgedragen lading-dichtheid σ_I toeneemt met een toename van de tribo-elektrische lading-dichtheid σ_c op het diëlektrische oppervlak en de permittiviteit van diëlektricum ε_r1 en ε_r1, respectievelijk. Volgens de formule neemt de elektrische uitgang toe naarmate de dielektrische constante van het diëlektrische materiaal toeneemt, wat de experimentele resultaten in Fig. 3 stevig ondersteunt.

Om de wrijvingseigenschappen van de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films verder te schatten, werd een commerciële PTFE-film met dezelfde -F functionele groep vergeleken. Onder dezelfde testcondities, zoals getoond in Fig. 4a–c, is de I_pp-sc van 8,65 µA/cm², V_oc van 37,63 V, en Q_sc van 13,24 nC, respectievelijk, 4,3 keer, 3,3 keer, en 3,0 keer hoger dan die van de commerciële PTFE-film. Het illustreert dat alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet film een veelbelovend tribo-elektrisch materiaal is. Figuur 4d stelt de stroomdichtheid, spanning gebaseerd op alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films met 15 wt% Nb₂CT_x als functie van externe belastingweerstand variërend van 0,01 tot 80 MΩ voor. Duidelijk daalt de kortsluiting-stroomdichtheid met de toename van de aangesloten externe weerstand, terwijl de V_oc een toenemende trend volgt. Het ogenblikkelijke vermogen van de TENG wordt verkregen door de gemeten belastingsspanning en stroomdichtheid met de weerstanden te berekenen. De corresponderende piekvermogen van de TENG is ongeveer 0,10 mW/cm² onder een belastingweerstand van 5 MΩ (Fig. 4e). We hebben ook de praktische toepassing van TENG verkend als zowel een energie-opwekker als een stroomvoorziening. Na gelijkrichting, spanningen die opgeslagen kunnen worden door het opladen van 1,0 µF, 2,2 µF, 3,3 µF, 4,7 µF, en 10,0 µF condensatoren gedurende 180 s zijn 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V, en 0,22 V, respectievelijk (Fig. 4f).

Verder kan de AM-TENG mechanische energie opwekken uit eenvoudige menselijke bewegingen en deze omzetten in elektrische signalen. De V_oc van het apparaat onder verschillende menselijke bewegingen, zoals muisgebruik, sms'en, typen, handen kloppen, handen tikken, en handen klappen, werd vastgelegd. Zoals getoond in Fig. 5a en Aanvullend bestand 2: video 1 in de Supporting Information, produceert continu muisgebruik een V_oc van 2,45 V. Daarna, bij schuiven en sms'en op de mobiele telefoon (Fig. 5b en Aanvullend bestand 3: Video 2), toont het resultaat aan dat een V_oc van 2,46 V verkregen werd. Vervolgens, zoals Fig. 5c en 5d weergeeft (Aanvullende bestanden 4, 5: Video 3 en 4), produceren handen kloppen op benen en handen tikken op benen V_oc van 9,30 V en 18,68 V, respectievelijk. En daarna, uit Fig. 5e en Aanvullend bestand 6: Video 5, is geverifieerd dat handen tikken op benen een V_oc van 18,72 V oplevert. Ten slotte, in Fig. 5f (Aanvullend bestand 7: Video 6), wordt een V_oc van 27,61 V gegenereerd door handen klappen. Samengevat, is het blijkbaar dat de AM-TENG enorm potentieel heeft in draagbare toepassingen.

Conclusie

Samenvattend, een hoge-prestatie TENG gebaseerd op alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films met overvloedige -F groep door laag-voor-laag stapelen is succesvol geproduceerd. De geïntroduceerde Nb₂CT_x tussenlagen beloven niet alleen de uniforme intrinsieke microstructuur van de compositefilms en bieden meer nano-kanalen voor effectieve -F groepen, maar verhogen ook de dielektrische constante. Wanneer de hoeveelheid Nb₂CT_x toeneemt tot 15 wt%, bereikt de TENG gebaseerd op alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films de maximale uitgang. De kortsluiting-stroomdichtheid en spanning van 8,06 µA/cm² en 34,63 V zijn 8,4 keer en 3,5 keer hoger dan die van de zuivere Ti₃C₂T_x film en 4,3 keer en 3,3 keer hoger dan die van de commerciële poly(tetrafluoroetheen)(PTFE) film. Bovendien kan de geproduceerde TENG aan het menselijk lichaam bevestigd worden om energie op te wekken uit eenvoudige menselijke bewegingen, zoals typen, sms'en, en handen klappen. De resultaten tonen aan dat de alternerend-gelaagde MXene-composite nanosheet films door laag-voor-laag stapelen een opmerkelijke tribo-elektrische prestatie kunnen bezitten, wat de tribo-elektrische materialenfamilie verrijkt en een nieuwe keuze biedt voor hoge-uitgang TENG.