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Nanogenerador triboeléctrico basado en película compuesta MXene de capas alternativas con rendimiento eléctrico mejorado

Resumen

La potencia de salida del nanogenerador triboeléctrico (TENG) depende en gran medida del rendimiento de los materiales triboeléctricos, especialmente de las microestructuras y grupos funcionales de los mismos. En este trabajo, apuntando a la excelente capacidad triboeléctrica, se diseñan y fabrican películas compuestas de MXene de capas alternas basadas en TENG con abundantes grupos de flúor (-F) mediante apilamiento capa por capa. Beneficiándose de la microestructura intrínseca uniforme y el aumento de la constante dieléctrica, cuando la cantidad de Nb 2 CT x nanosheets aumenta al 15% en peso, el TENG basado en Nb 2 CT x / Ti 3 C 2 T x Las películas de nanohojas compuestas logran el máximo rendimiento. La densidad de corriente de cortocircuito de 8.06 μA / cm 2 y el voltaje de 34,63 V es 8,4 veces y 3,5 veces superior al del Ti 3 puro C 2 T x películas, y 3.3 veces y 4.3 veces más que las películas comerciales de poli (tetrafluoroetileno) (PTFE), respectivamente. Además, el TENG fabricado podría unirse al cuerpo humano para recolectar energía de los movimientos humanos, como escribir, enviar mensajes de texto y aplaudir. Los resultados demuestran que las películas de nanohojas compuestas MXene en capas alternas mediante el apilamiento capa por capa poseen un rendimiento triboeléctrico notable, lo que amplía la elección de materiales triboeléctricos negativos y ofrece una nueva opción para TENG de alto rendimiento.

Introducción

A medida que la temperatura global continúa aumentando, es urgente desarrollar tecnologías de recolección de energía verde. El TENG basado en el efecto de acoplamiento de la carga por contacto y la inducción electrostática se considera una tecnología poderosa que convierte eficazmente la energía mecánica ambiental en energía eléctrica [1, 2, 3]. Hasta ahora, se han investigado ampliamente varios tipos de TENG debido a las ventajas de ligereza, fácil fabricación, selección de varios materiales y alta eficiencia de conversión de energía [4, 5, 6]. Aunque las teorías y los experimentos han verificado que el rendimiento de TENG podría mejorarse optimizando los materiales triboeléctricos, sigue siendo un desafío importante fabricar el TENG con alta potencia de salida. Varios estudios anteriores muestran que algunos grupos funcionales especiales (–F [7], –NH 2 [8], –CH 3 [9]) podría afectar la capacidad de los materiales triboeléctricos para ganar o perder electrones y así modular eficazmente el rendimiento de triboelectrificación de contacto de TENG [10].

El MXene, como una nueva familia de nanomateriales bidimensionales (2D), es un tipo novedoso de carburos o nitruros de metales de transición en capas que podrían sintetizarse grabando selectivamente elementos "A" de su fase MAX precursora [11]. La fórmula general de MXenes es M n +1 X n T x , donde M, X y T x representan los metales de transición (como Sc, Ti, Zr, Hf, V y Nb), C o N ( n =1, 2 o 3), y varios grupos terminales de superficie (–F, –OH, =O), respectivamente [12,13,14]. Los grupos -F poseen la capacidad de captación de electrones más fuerte, mientras que la densidad más alta del grupo -F da como resultado una densidad de carga más intensa [15]. El aumento en el espaciado entre capas de nanoescala entre las nanohojas de MXene de capas alternas aumentará efectivamente el canal de los grupos -F, lo que conduce a que fluyan más grupos -F entre las nanohojas de película compuesta. Por lo tanto, se espera que los MXenes sean materiales triboeléctricos negativos ideales para TENG. Por lo tanto, se espera que los MXenes sean materiales triboeléctricos negativos ideales para TENG [16,17,18]. Todo poli (alcohol vinílico) electrohilado / Ti 3 C 2 T x TENG flexible basado en nanofibras se ha informado que la incorporación de Ti 3 C 2 T x ha mejorado significativamente la propiedad dieléctrica y, por lo tanto, ha mejorado el rendimiento de la salida triboeléctrica [19]. Mientras tanto, Wang et al. presentan nanocompuestos de polidimetilsiloxano con Ti 3 tridimensional interconectado C 2 T x sirvió como material triboeléctrico negativo, que podría prepararse mediante métodos de liofilización unidireccional y de impregnación asistida por vacío [20]. Cao y col. reportar un TENG impermeable altamente flexible y de alto rendimiento basado en un tejido novedoso Ti 3 C 2 T x / Nanocompuesto Ecoflex para la recolección de energía universal de diversos movimientos humanos [21].

Sin embargo, como muchos otros materiales 2D, el rendimiento de MXene se ve obstaculizado debido a su agregación, [22] lo que resulta en nanocanales limitados para el grupo -F [23]. Para aprovechar al máximo sus propiedades electroquímicas, Ti 3 C 2 T x Se han informado nanohojas que contienen una estructura porosa y espaciadores entre capas [24]. La introducción de espaciadores entre capas [25, 26, 27] (como grafeno [28], polímero [29, 30], óxido de grafeno [31] y nanopartículas de óxido metálico [32]) en MXene también ha mejorado significativamente el rendimiento de salida de TENG .

Aquí, la estructura apilada de capas se adopta para diseñar y fabricar películas compuestas MXene de capas alternas con abundante grupo -F y microestructura intrínseca uniforme. El Nb 2 CT x Las nanohojas se eligen como espaciador debido a su mayor electronegatividad que los nanomateriales a base de carbono y Ti 3 C 2 T x sirve como material a granel debido a su alta electronegatividad. Las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas preparadas pueden reducir eficazmente el autoapilamiento de Ti 3 C 2 T x nanohojas y aumente el espaciado entre capas entre Ti 3 C 2 T x nanohojas, que proporcionarán nanocanales más eficaces para el grupo -F. Se encontró que tal TENG (AM-TENG) basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas logra el mejor rendimiento con una relación de peso del 15% Nb 2 CT x . La densidad y el voltaje de corriente de salida máximos son 8.06 μA / cm 2 y 34,63 V, respectivamente, que son 8,4 y 3,5 veces superiores a los del Ti 3 puro C 2 T x películas y 4,1 veces y 4,2 veces más que las películas comerciales de PTFE. Además, la capacidad de recolección de energía del TENG basado en películas compuestas MXene de capas alternas se demuestra a través de la carga de condensadores. Este trabajo demuestra un nuevo tipo de material triboeléctrico para la recolección de energía verde altamente eficiente.

Métodos

Materiales

Todos los productos químicos usados ​​no se purificaron más. Ti 3 AlC 2 y Nb 2 Los polvos de AlC se compraron en Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. La isopropilamina fue proporcionada por Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Preparativos

En primer lugar, se disolvieron 1,6 g de LiF (Aladdin) en 20 ml de solución de ácido clorhídrico (Sigma, 9 M). Luego, 1.0 g de Ti 3 AlC 2 se añadió lentamente (en el plazo de 10 min) a la mezcla anterior en condiciones de agitación continua. Posteriormente, la reacción continuó durante un día a una temperatura de 35 ° C. En tercer lugar, la suspensión preparada se lavó con agua desionizada varias veces hasta que su pH alcanzó 6. Finalmente, el Ti 3 homogéneo C 2 T x La solución se sonicó en un baño de hielo durante 1 hora y se centrifugó adicionalmente durante otra hora a 3500 rpm. Un total de 1 g de Nb 2 Se añadió gradualmente polvo de AlC (en 5 min) a 10 ml de solución de fluorhídrico al 50% en peso. Luego, la solución se agitó constantemente durante dos días a 35 ° C para grabar la capa de Al de Nb 2 AlC. Después de centrifugar y lavar repetidamente con agua desionizada, los sedimentos recogidos con un pH superior a 6 se dispersaron en 10 ml de solución de isopropilamina durante un día a temperatura ambiente para su posterior intercalación. Después de la centrifugación, el sedimento húmedo se dispersó en 100 ml de agua desionizada. Finalmente, después de un paso de centrifugación de 1 hora a una velocidad de rotación de 3500 rpm, el Nb 2 homogéneo CT x se obtuvo la solución.

Fabricación de TENG

Se fabricó el TENG que funciona en modo de separación de contactos. Primero, se unió un trozo de lámina de cobre sobre una placa acrílica para formar un electrodo de forma cuadrada con un tamaño de 1 cm x 1 cm (largo x ancho). A continuación, se utilizó una película de nailon de 1 cm x 1 cm unida a la hoja de Cu como capa de fricción. Posteriormente, se fabricó la otra contraparte con película compuesta de MXene en capas alternas como capa de fricción de acuerdo con los mismos pasos. En comparación con PTFE-TENG, la única diferencia es el uso de película compuesta MXene de capas alternas en lugar de películas PTFE comerciales. El voltaje de salida de circuito abierto, la corriente de cortocircuito y la carga de transferencia de las películas de nanoplacas compuestas MXene de capas alternas se midieron con electrómetros Keithley 6517B. Se aplicó un motor lineal (Linmot E1100) para proporcionar un disparo periódico externo a la frecuencia de 2 Hz.

Caracterización de materiales

La estructura cristalina se caracterizó por un difractómetro de rayos X en polvo (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2 θ rango de 5 ° a 60 °) con radiación Cu Kɑ. La morfología de las nanoláminas se confirmó mediante el uso de microscopio electrónico de barrido (SEM, Hitachi SU8010) y el mapeo de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) se realizó en el mismo instrumento (IXRF SYSTEMS). Los espectros Raman (LABRAM HR EVOLUTION) se adquirieron a través de un microscopio confocal Raman con una longitud de onda de excitación de 532 nm y una rejilla espectral de 1800 líneas / mm. Los espectros se adquirieron enfocando el láser a través de un objetivo de 50x. Se utilizó un medidor LCR (Hioki, IM 3536) para evaluar la constante dieléctrica de las nanohojas.

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra una ilustración esquemática del proceso de fabricación paso a paso de las películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas. Algunas capas de Ti 3 C 2 T x Los MXene se prepararon mediante precursores de grabado Ti 3 AlC 2 utilizando una solución de HCl / LiF [33] y se sonicaron en un baño de hielo (Fig. 1 I). Según la Fig. 1 II, las capas atómicas de Al fueron grabadas por HF de Nb 2 Fase AlC MAX [27, 34,35,36]. Se intercala una solución de isopropilamina (I-PrA) entre Nb 2 multicapa CT x para ampliar el espaciado entre capas, seguido de agitación manual para delaminar Nb 2 CT x en nanohojas de pocas capas [27]. En el Ti 3 adquirido C 2 T x nanohojas, los átomos de titanio se organizaron en una estructura compacta, los átomos de carbono llenaron los sitios intersticiales octaédricos y T x (–F, –OH, =O) estaban en la superficie de la capa externa de Ti, que forma una estructura de sándwich en capas. Del mismo modo, para Nb 2 CT x , los átomos de niobio llenaron la posición del vértice octaédrico, ensamblando una estructura ABAB en capas. El efecto de dispersión de Tyndall observado en la figura 1 refleja que tanto Ti 3 C 2 T x solución y Nb 2 CT x La solución tenía una excelente estabilidad y dispersión, lo que prometía el uniforme de cada capa. Finalmente, las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas se construyeron mediante apilamiento ABAB bajo filtración al vacío (archivo adicional 1:Figura S1).

Ilustración esquemática del proceso de fabricación de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas

En la figura 2 se presentan las caracterizaciones de las películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas. AlC 2, el Ti 3 adquirido de pocas capas C 2 T x expresa una estructura laminada típica, que es como los MXenes típicos, como se indica en la Fig. 2a. Como se muestra en la Fig. 2b-f, las relaciones de peso de las películas de nanolaminas compuestas de MXene en capas alternas de 5%, 10%, 15%, 20% y 25% tienen una estructura multicapa suelta. Además, cuando Nb 2 CT x el contenido aumenta de 5 a 10% en peso, el espaciado entre capas a nanoescala entre las nanohojas de las películas compuestas aumenta gradualmente. Del 15 al 25% en peso, el espaciado entre capas a nanoescala entre las nanohojas en las películas compuestas no presenta grandes cambios. Por lo tanto, el Ti 3 deslaminado C 2 T x Las nanohojas y las nanohojas de MXene de capas alternas se prepararon con éxito. Explicar el grado de mezcla homogéneo de Nb 2 CT x nanohojas en las películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas, se obtienen imágenes de mapeo de espectroscopía de rayos X de dispersión de energía (EDS) de la sección transversal. Los elementos Nb, Ti, O y F se detectan en toda la región escaneada, como se muestra en la Fig. 2h (y el archivo adicional 1:Figura S2). Se puede observar que los elementos Nb y Ti tienen igual distribución en las películas compuestas, mostrando que Ti 3 C 2 T x y Nb 2 CT x las nanohojas se apilan uniformemente. Para analizar más a fondo las fases del material y el cambio del espaciado entre capas entre Ti 3 C 2 T x y Nb 2 CT x nanohojas, las mediciones del difractómetro de rayos X (XRD) se realizaron en Ti 3 puro C 2 T x y películas de nanohojas compuestas de MXene de capas alternas. Como se detalla en el archivo adicional 1:Figura S4a, después del grabado selectivo y la delaminación, el Ti 3 puro fabricado C 2 T x la película presenta un pico de difracción fuerte (002) a 7,15 °, que es consistente con los resultados reportados previamente [11, 33, 37]. Como se muestra en el archivo adicional 1:Figura S4b, se puede ver que el pico de difracción (002) se desplaza de 12,86 ° para Nb 2 AlC MAX a 7.05 ° para Nb 2 CT x película debido al grabado completo de las capas de átomos de Al [27]. Los resultados de XPS se muestran en el archivo adicional 1:Figura S3. El espectro F1 s de MXene en capas alternas en la Fig. S3b se puede deconvolucionar en dos picos a 684,72 y 686,45 eV, que representan Ti-F y Al-F, respectivamente. [15, 16] Los resultados de XRD también se enumeran en la Fig. 2j. Comparación entre el Ti 3 puro C 2 T x La película y el 5% en peso de la película de nanoplacas compuesta de MXene en capas alternas muestra que la intensidad del pico de difracción (002) obviamente disminuye, lo que indica la introducción de Nb 2 CT x nanohojas. Como Nb 2 CT x el contenido aumenta de 10 a 15% en peso, los cambios en el ángulo de difracción disminuyen gradualmente, lo que significa que el espaciado entre capas de películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas aumenta gradualmente debido a la interacción entre Nb 2 CT x nanosheets y Ti 3 C 2 T x nanohojas. Sin embargo, con Nb 2 CT x El contenido aumenta de 20 a 25% en peso, el ángulo de difracción aumenta gradualmente de 0,6170 a 0,7536 nm (en el archivo adicional 1:Tabla S1). Los resultados revelan que debido a la introducción excesiva de Nb 2 CT x nanohojas, Nb 2 CT x nanosheets y Ti 3 C 2 T x las nanohojas se apilan y el espaciado entre capas de las películas de nanohojas compuestas de MXene de capas alternas se reduce (de 0,7530 a 0,7371 nm). Los resultados de XRD son consistentes con los resultados de SEM. Para confirmar aún más la composición de las películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas, también se realizó el análisis Raman. La Figura 2k muestra los espectros Raman de Nb 2 CT x , Ti 3 C 2 T x y películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas con diferentes Nb 2 CT x contenido. Las muestras ilustran los modos vibratorios esperados para Ti 3 C 2 T x (Figura 2k). Picos a 157, 254, 423 y 615 cm −1 están asignados a E g modos vibracionales de vibraciones fuera del plano de átomos de Ti y C en las películas compuestas MXene de capas alternas. El pico a 197 cm −1 se atribuye a A g modos vibracionales de los átomos del grupo funcional de superficie, Ti y C en el plano [38]. Comparado con el Ti 3 puro C 2 T x película, la intensidad y la mitad de ancho de la E g El pico de películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas ha cambiado, lo que indica que las vibraciones en el plano de Ti y C, los grupos de superficie y el espaciado entre capas han cambiado [39], lo que podría atribuirse a la reacción entre Nb 2 CT x nanosheets y Ti 3 C 2 T x nanohojas.

un La imagen SEM típica del Ti 3 C 2 T x película. Imagen SEM transversal de la sección transversal de películas compuestas MXene de capas alternas con Nb 2 CT x contenido: b 5% en peso, c 10% en peso d 15% en peso, e 20% en peso, f 25% en peso. h Datos de mapeo EDS de 15% en peso de película MXene en capas alternas. j Patrones XRD de las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas. k Espectros Raman del Ti 3 C 2 T x y películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas con varias proporciones

La Figura 3a muestra el mecanismo de trabajo de AM-TENG, que contiene triboelectrificación por contacto e inducciones electrostáticas [40]. El AM-TENG opera bajo el modo de separación por contacto, donde la película de nailon superior y la película de nanohojas compuestas MXene de capas alternas inferiores funcionan como capas dieléctricas positivas y negativas, respectivamente. Las cargas eléctricas generadas entre las dos superficies de fricción forman un campo eléctrico. El cambio de distancia crea un campo eléctrico alterable, seguido de una corriente de desplazamiento entre los dos electrodos del circuito externo. En consecuencia, a medida que el disparador se aplica y suelta periódicamente al TENG, los electrones se mueven hacia adelante y hacia atrás durante el contacto y la separación periódicos, generando corriente alterna a través del circuito externo. Evaluar el papel del Nb 2 CT x , la salida eléctrica de AM-TENG con el Nb 2 CT x Se llevó a cabo una relación de peso de 0 a 25%, incluida la tensión de circuito abierto ( V oc ), corriente de cortocircuito ( I sc ) densidad y densidad de carga transferida ( Q sc ). Se midió el TENG basado en las películas de nanoplacas compuestas MXene de capas alternas con el mismo grosor en las mismas condiciones, como se muestra en la Fig. 3b – d. Obviamente, se puede ver que I sc densidad, V oc y Q sc del 15% en peso de AM-TENG aumentó simultáneamente de manera notable en comparación con el del Ti 3 puro C 2 T x película. Como la cantidad de Nb 2 CT x aumenta al 15% en peso, la salida generada I sc densidad, V oc y Q sc del AM-TENG aumenta gradualmente hasta 8.06 μA / cm 2 , 34,63 V y 11,19 nC, respectivamente, que son 8,4, 3,5 y 3,6 veces superiores a los del Ti 3 puro C 2 T x película (0,96 μA / cm 2 , 9,94 V y 3,08 nC), como se describe en la Fig. 3a y b. Sin embargo, cuando la cantidad de peso de Nb 2 CT x aumentos adicionales del 15 al 25%, el I sc densidad, V oc y Q sc disminuir a 1,97 μA / cm 2 , 19,74 V y 5,30 nC, respectivamente. Archivo adicional 1:La Figura S5 resume la tendencia de variación de I sc densidad, V oc y Q sc con el aumento de gradiente de Nb 2 CT x relación de peso.

un Diagrama esquemático de AM-TENG en modo de trabajo de separación de contactos. b V oc , c yo sc densidad y d Q sc señales de AM-TENG con diferentes Nb 2 CT x contenido a 2 Hz. e Constante dieléctrica de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas con diferentes Nb 2 CT x contenido

Para el modo de separación de contactos del AM-TENG, la constante dieléctrica es un parámetro importante para determinar el rendimiento de salida. Por lo tanto, la constante dieléctrica de las películas de nanoplacas compuestas de MXene en capas alternas se caracterizó por un modelo de permitividad complejo en el rango de frecuencia de 0,1 a 1000 MHz. Entonces, la constante dieléctrica del Ti 3 C 2 T x y películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas con diferentes Nb 2 CT x Las concentraciones y frecuencias se muestran en la Fig. 3e. Puede verse en la Fig. 3e que a medida que la relación de dopaje aumenta de 0 a 15% en peso, la constante dieléctrica aumenta de 0,02 a 0,04. Con la relación en peso aumentando adicionalmente hasta un 25% en peso, la constante dieléctrica disminuye de 0,03 a 0,02. La constante dieléctrica de la película de nanolamina compuesta MXene de capas alternas es más alta que la del Ti 3 puro C 2 T x película debido a la formación de la red interfacial de microcondensadores [21]. A concentraciones más altas, el conductor entre Ti 3 C 2 T x y Nb 2 CT x probablemente agregados, formando una red conductora y, por lo tanto, destruyendo las propiedades dieléctricas de la película de MXene en capas alternas. Por lo tanto, las fugas de electricidad pueden provocar una disminución en el rendimiento de la producción [41]. Los resultados revelan que la constante dieléctrica máxima se obtiene con un 15% en peso de Nb 2 CT x concentración, que tiene buena consistencia con los resultados eléctricos de la Fig. 3b-d. En otras palabras, con constante dieléctrica creciente, Nb 2 CT x El contenido mejoró aún más el rendimiento triboeléctrico.

Para aclarar aún más la relación teórica entre la salida de AM-TENG y la concentración de relleno, TENG se puede reducir a un modelo de condensador de panel plano en el archivo adicional 1:Figura S6. La intensidad del campo eléctrico en el entrehierro y el dieléctrico viene dada por [42]:

Dieléctrico interior 1

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

Dieléctrico interior 2

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

Espacio de aire interior

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

\ (\ upsigma _ {c} \) es la densidad de carga superficial. La distancia ( x ) de dos capas triboeléctricas varía con la fuerza mecánica, y \ (\ upsigma _ {I} \) (x, t) se transfieren electrones libres en el electrodo. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {o} \) es la permitividad de vacío, y d 1 y d 2 son el espesor del material dieléctrico. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) y \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r2} \) son la constante dieléctrica relativa del dieléctrico 1 y la constante dieléctrica relativa del dieléctrico 2, respectivamente.

El voltaje entre los dos electrodos puede ser proporcionado por

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

En condiciones de cortocircuito y 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)

La ecuación (5) muestra que la densidad de carga de transferencia \ (\ upsigma _ {I} \) aumenta con un aumento de la densidad de carga triboeléctrica \ (\ upsigma _ {c} \) en la superficie dieléctrica y la permitividad del dieléctrico \ ( {{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) y \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \), respectivamente. De acuerdo con la fórmula, la salida eléctrica aumenta a medida que aumenta la constante dieléctrica del material dieléctrico, lo que respalda firmemente los resultados experimentales de la Fig. 3.

Con el fin de estimar aún más las propiedades de fricción de las películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas, se comparó una película comercial de PTFE con el mismo grupo funcional -F. En las mismas condiciones de prueba, como se muestra en la Fig. 4a-c, el I pp-sc de 8,65 μA / cm 2 , V oc de 37,63 V y Q sc de 13,24 nC, respectivamente, es 4,3 veces, 3,3 veces y 3,0 veces superior a la de la película comercial de PTFE. Ilustra que la película de nanolamina compuesta MXene de capas alternas es un material triboeléctrico prometedor. La Figura 4d muestra la densidad de corriente, voltaje basado en películas de nanohojas compuestas de MXene en capas alternas con 15% en peso de Nb 2 CT x en función de la resistencia de carga externa en un rango de 0.01 a 80 MΩ. Obviamente, la densidad de corriente de cortocircuito disminuye con el aumento de la resistencia externa conectada, mientras que la V oc sigue una tendencia creciente. La potencia instantánea del TENG se obtiene calculando la tensión de carga medida y la densidad de corriente con las resistencias. La potencia máxima correspondiente del TENG es de aproximadamente 0,10 mW / cm 2 bajo una resistencia de carga de 5 MΩ (Fig. 4e). También exploramos la aplicación práctica de TENG como recolector de energía y fuente de alimentación. Después de la rectificación, los voltajes que pueden almacenarse cargando condensadores de 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF y 10,0 μF durante 180 s son 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V y 0,22 V, respectivamente (Figura 4f).

El rendimiento de salida de AM-TENG basado en película compuesta con 15% Nb 2 CT x contenido o película comercial de PTFE. un V oc , b yo sc densidad y c Q sc . d La densidad y el voltaje de la corriente de salida y e densidad de potencia de am-TENG basada en una película compuesta con un 15% en peso de Nb 2 CT x contenido en función de la resistencia de carga externa. f Análisis del rendimiento de carga de las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas con diferentes capacidades de capacitancia

Además, el AM-TENG puede recolectar energía mecánica de simples movimientos humanos y convertirlos en señales eléctricas. La V oc del dispositivo bajo diferentes movimientos humanos, como usar el mouse, enviar mensajes de texto, escribir, dar palmadas, golpear con las manos y aplaudir. Como se muestra en la Fig. 5a y el archivo adicional 2:el video 1 en la Información de apoyo, el uso continuo del mouse produce una V oc de 2.45 V. Luego, al deslizar y enviar mensajes de texto en el teléfono móvil (Fig. 5b y Archivo adicional 3:Video 2), el resultado muestra que una V oc Se obtuvo 2,46 V. Posteriormente, como se muestra en la Fig. 5c y 5d (Archivos adicionales 4, 5:Video 3 y 4), las piernas que se golpean con las manos y las piernas que golpean con las manos producen V oc de 9,30 V y 18,68 V, respectivamente. Y luego, a partir de la Fig. 5e y el archivo adicional 6:Video 5, se verifica que las patas golpeando con la mano producen una V oc de 18.72 V. Finalmente, en la Fig. 5f (Archivo adicional 7:Video 6), una V oc de 27,61 V se genera aplaudiendo. En resumen, aparentemente se ha convertido en que el AM-TENG tiene un enorme potencial de aplicación en aplicaciones portátiles.

V oc señales de AM-TENG en diferentes estados de movimiento. un Usando el mouse, b Mensajes de texto, c Escribiendo, d Bofetadas, e Toque con la mano, f Aplaudir

Conclusión

En resumen, el TENG de alto rendimiento basado en películas de nanoplacas compuestas MXene de capas alternas con abundante grupo -F mediante apilamiento capa por capa se fabricó con éxito. El Nb 2 introducido CT x las capas intermedias no solo prometen la microestructura intrínseca uniforme de las películas compuestas y proporcionan más nanocanales para grupos -F eficaces, sino que también aumentan la constante dieléctrica. Cuando la cantidad de Nb 2 CT x aumenta al 15% en peso, el TENG basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternas logra el máximo rendimiento. La densidad de corriente de cortocircuito y voltaje de 8.06 μA / cm 2 y 34,63 V son 8,4 veces y 3,5 veces superiores a los del Ti 3 puro C 2 T x película y 4,3 veces y 3,3 veces superior a la de la película comercial de poli (tetrafluoroetileno) (PTFE). Además, el TENG fabricado se puede unir al cuerpo humano para recolectar energía de simples movimientos humanos, como escribir, enviar mensajes de texto y aplaudir. Los resultados demuestran que las películas de nanohojas compuestas MXene en capas alternas mediante el apilamiento capa por capa pueden poseer un rendimiento triboeléctrico notable, lo que enriquece la familia de materiales triboeléctricos y proporciona una nueva opción para TENG de alto rendimiento.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricciones.

Abreviaturas

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico

F:

Grupos de flúor

PTFE:

Poli (tetrafluoroetileno)

2D:

Bidimensional

AM-TENG:

Nanohojas compuestas MXene de capas alternativas basadas en películas TENG

XRD:

Difractómetro de rayos X

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

EDS:

Espectroscopio de rayos X de dispersión de energía

I-PrA:

Isopropilamina

V oc :

Voltaje de circuito abierto

I sc :

Densidad de corriente de cortocircuito

Q sc :

Densidad de carga transferida


Nanomateriales

  • Metal
  • Resina
  • fibra
  • Material compuesto
  • Nanomateriales
  • Materiales poliméricos
  • Biologicos
  • Teñir
  • Especias

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