Película compuesta MXene avanzada TENG logra salida eléctrica superior

Resumen

La potencia de salida del nanogenerador triboeléctrico (TENG) depende fuertemente del rendimiento de materiales triboeléctricos, especialmente sus microestructuras y grupos funcionales. En este trabajo, apuntando a excelente capacidad triboeléctrica, se diseñan y fabrican películas compuestas MXene de capas alternadas con abundantes grupos fluoruro (-F) mediante apilamiento capa por capa. Beneficiándose de la microestructura intrínseca uniforme y constante dieléctrica aumentada, cuando la cantidad de nanohojas Nb₂CT_x aumenta a 15 % en peso, el TENG basado en películas de nanohojas compuestas Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x alcanza la salida máxima. La densidad de corriente de cortocircuito de 8,06 μA/cm² y voltaje de 34,63 V son 8,4 veces y 3,5 veces superiores a los de películas puras Ti₃C₂T_x, y 3,3 veces y 4,3 veces superiores a los de películas comerciales de poli(tetrafluoroetileno) (PTFE), respectivamente. Además, el TENG fabricado puede adherirse al cuerpo humano para cosechar energía de movimientos humanos, como teclear, enviar mensajes y aplaudir. Los resultados demuestran que las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas mediante apilamiento capa por capa poseen rendimiento triboeléctrico notable, lo que amplía la elección de materiales triboeléctricos negativos y suministra una nueva opción para TENG de alta salida.

Introducción

Mientras la temperatura global sigue aumentando, desarrollar tecnologías de cosecha de energía verde es urgente. TENG basado en efecto de acoplamiento de carga por contacto e inducción electrostática se considera tecnología poderosa que convierte efectivamente energía mecánica ambiental en energía eléctrica [1,2,3]. Hasta ahora, varios tipos de TENG han sido ampliamente investigados debido a ventajas de ligereza, fácil fabricación, selección variada de materiales, y alta eficiencia de conversión energética [4,5,6]. Aunque teorías y experimentos han verificado que el rendimiento de TENG podría mejorarse optimizando materiales triboeléctricos, sigue siendo un desafío significativo fabricar TENG con alta potencia de salida. Varios estudios previos muestran que algunos grupos funcionales especiales (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) podrían afectar la capacidad de materiales triboeléctricos para ganar o perder electrones y así modular efectivamente el rendimiento de triboelectrificación por contacto de TENG [10].

El MXene, como nueva familia de nanomateriales bidimensionales (2D), es un tipo novedoso de carburos o nitruros de metales de transición en capas que pueden sintetizarse por grabado selectivo de elementos "A" de su fase precursora MAX [11]. La fórmula general de MXenes es M_n+1X_nT_x, donde M, X, y T_x representan 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 retirada de electrones más fuerte, mientras que mayor densidad de grupo -F resulta en densidad de carga más intensa [15]. El aumento en el espaciado intercapas nanométrico entre nanohojas MXene de capas alternadas aumentará efectivamente el canal de grupos -F, lo que es conducente a más grupos -F fluyendo entre nanohojas de película compuesta. Por tanto, se espera que los MXenes sean materiales triboeléctricos negativos ideales para TENG [16,17,18]. Se ha reportado que todo TENG flexible basado en nanofibras electrohiladas de poli(alcohol vinílico)/Ti₃C₂T_x la incorporación de Ti₃C₂T_x ha mejorado significativamente la propiedad dieléctrica y así mejorado el rendimiento triboeléctrico [19]. Mientras tanto, Wang et al. presentan nanocompuestos de polidimetilsiloxano con Ti₃C₂T_x interconectados tridimensionalmente sirviendo como material triboeléctrico negativo, que pueden prepararse por métodos de liofilización unidireccional e impregnación asistida por vacío [20]. Cao et al. reportan TENG altamente flexible y de alto rendimiento impermeable basado en nanocompuesto novedoso de tela Ti₃C₂T_x/Ecoflex para cosecha universal de energía de varios 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 nano-canales limitados para grupo -F [23]. Para hacer pleno uso de sus propiedades electroquímicas, se han reportado nanohojas Ti₃C₂T_x conteniendo estructura porosa y espaciadores intercapas [24]. Introducir espaciadores intercapas [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, estructura de capas apiladas se adopta para diseñar y fabricar películas compuestas MXene de capas alternadas con abundante grupo -F y microestructura intrínseca uniforme. Las nanohojas Nb₂CT_x se eligen como espaciador debido a su mayor electronegatividad que nanomateriales basados en carbono, y Ti₃C₂T_x sirve como material base debido a su alta electronegatividad. Las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas preparadas pueden reducir efectivamente el auto-apilamiento de nanohojas Ti₃C₂T_x y aumentar el espaciado intercapas entre nanohojas Ti₃C₂T_x, lo que proporcionará más nano-canales efectivos para grupo -F. Se encontró que tal TENG basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas (AM-TENG) alcanza el mejor rendimiento con ratio de peso 15 % Nb₂CT_x. La densidad máxima de corriente de salida y voltaje son 8,06 μA/cm² y 34,63 V, respectivamente, que son 8,4 veces y 3,5 veces superiores a los de películas puras Ti₃C₂T_x y 4,1 veces y 4,2 veces superiores a los de películas comerciales PTFE. Adicionalmente, la capacidad de cosecha de energía de TENG basado en películas compuestas MXene de capas alternadas se demuestra mediante carga de capacitor. Este trabajo demuestra un nuevo tipo de material triboeléctrico para cosecha de energía verde altamente eficiente.

Métodos

Materiales

Todos los químicos usados no fueron purificados adicionalmente. Polvos Ti₃AlC₂ y Nb₂AlC fueron comprados de Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. Isopropilamina fue provista por Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Preparaciones

Primero, 1,6 g de LiF (Aladdin) se disolvió en 20 mL solución de ácido clorhídrico (Sigma, 9 M). Luego, 1,0 g de Ti₃AlC₂ se añadió lentamente (dentro de 10 min) a la mezcla anterior bajo condición de agitación continua. Después, la reacción continuó por un día a temperatura de 35 ℃. Tercero, la suspensión preparada se lavó con agua desionizada varias veces hasta que su pH alcanzó 6. Finalmente, la solución homogénea Ti₃C₂T_x se sonicó bajo baño de hielo por 1 h y se centrifugó otra 1 h a 3500 rpm. Un total de 1 g de polvo Nb₂AlC se añadió gradualmente (dentro de 5 min) en 10 mL de solución de ácido fluorhídrico 50 % en peso. Luego, la solución se agitó constantemente por dos días a 35 °C para grabar la capa Al de Nb₂AlC. Después de centrifugado y lavados repetidos con agua desionizada, los sedimentos recogidos con pH sobre 6 se dispersaron en 10 mL solución de isopropilamina por un día a temperatura ambiente para intercalación adicional. Después de centrifugado, el sedimento húmedo se dispersó en 100 mL agua desionizada. Finalmente, tras paso de centrifugado 1 h a 3500 rpm velocidad de rotación, se obtuvo solución homogénea Nb₂CT_x.

Fabricación de TENG

El TENG funcionando bajo modo contacto-separación fue fabricado. Primero, una lámina de cobre se adhirió a una tabla acrílica para formar electrodo cuadrado con tamaño 1 cm × 1 cm (largo × ancho). Luego, película de nailon 1 cm × 1 cm adherida a lámina Cu se usó como capa de fricción. Subsecuentemente, la otra contraparte con película compuesta MXene de capas alternadas como capa de fricción fue fabricada según los mismos pasos. Comparado con PTFE-TENG, la única diferencia es usar película compuesta MXene de capas alternadas en lugar de películas comerciales PTFE. El voltaje de circuito abierto, corriente de cortocircuito, y carga de transferencia de las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas fueron medidos por electrómetros Keithley 6517B. Motor lineal (Linmot E1100) se aplicó para proporcionar disparo periódico externo a frecuencia 2 Hz.

Caracterización de Materiales

La estructura cristalina fue caracterizada por difractómetro de rayos X en polvo (XRD, Ultima IV, Ciencia Japonesa, rango 2θ 5° a 60°) con radiación Cu Kα. La morfología de nanohojas fue confirmada usando microscopio electrónico de barrido (SEM, Hitachi SU8010), y espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) mapping se realizó en el mismo instrumento (IXRF SYSTEMS). Espectros Raman (LABRAM HR EVOLUTION) se adquirieron a través de microscopio Raman confocal con longitud de onda de excitación 532 nm y rejilla espectral 1800 líneas/mm. Los espectros se adquirieron enfocando el láser a través de objetivo 50×. Un medidor LCR (Hioki, IM 3536) se usó para evaluar la constante dieléctrica de las nanohojas.

Resultados y Discusión

La Figura 1 muestra ilustración esquemática del proceso de fabricación paso a paso de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas. Unas pocas capas de MXene Ti₃C₂T_x se prepararon mediante grabado de precursores Ti₃AlC₂ usando solución HCl/LiF [33] y fueron sonicadas bajo baño de hielo (Fig. 1 I). Según Fig. 1 II, las capas atómicas Al fueron grabadas por HF de fase MAX Nb₂AlC [27, 34,35,36]. Solución de isopropilamina (I-PrA) fue intercalada entre multicapas Nb₂CT_x para agrandar el espaciado intercapas, seguido por agitación manual para delimitar Nb₂CT_x en nanohojas de pocas capas [27]. En las nanohojas Ti₃C₂T_x adquiridas, los átomos de titanio estaban dispuestos en estructura compacta, átomos de carbono llenaban sitios intersticiales octaédricos, y T_x (–F, –OH, = O) estaban en la superficie de la capa Ti externa, formando estructura sándwich en capas. Similarmente, para Nb₂CT_x, átomos de niobio llenaban posición vértice octaédrico, ensamblando estructura ABAB en capas. El efecto de dispersión Tyndall observado en Fig. 1 refleja que tanto la solución Ti₃C₂T_x como Nb₂CT_x tenían excelente estabilidad y dispersibilidad, lo que prometió uniformidad de cada capa. Finalmente, las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas fueron construidas 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 alternadas

Las caracterizaciones de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas se presentan en Fig. 2. Mediante grabado de estratificación atómica Al de Ti₃AlC₂, las nanohojas Ti₃C₂T_x de pocas capas adquiridas expresan estructura laminada típica, como MXenes típicos, como se indica en Fig. 2a. Como se muestra en Fig. 2b–f, las ratios de peso de películas compuestas MXene de capas alternadas de 5 %, 10 %, 15 %, 20 %, y 25 % tienen estructura multicapa suelta. Además, cuando el contenido Nb₂CT_x aumenta de 5 a 10 % en peso, el espaciado intercapas nanométrico entre nanohojas de películas compuestas aumenta gradualmente. De 15 a 25 % en peso, el espaciado intercapas nanométrico entre nanohojas en películas compuestas no tiene grandes cambios. Así, las nanohojas Ti₃C₂T_x delimitadas y nanohojas MXene de capas alternadas se preparan exitosamente. Para explicar el grado de mezcla homogénea de nanohojas Nb₂CT_x en películas compuestas MXene de capas alternadas, se obtienen imágenes de mapeo de espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDS) de la sección transversal. Elementos Nb, Ti, O, y F son detectados a lo largo de la región escaneada, como se muestra en Fig. 2h (y Archivo Adicional 1: Figura S2). Se observa que elementos Nb y Ti tienen distribución igual en películas compuestas, mostrando que nanohojas Ti₃C₂T_x y Nb₂CT_x están apiladas uniformemente. Para analizar más las fases de material y cambio de espaciado intercapas entre nanohojas Ti₃C₂T_x y Nb₂CT_x, se realizaron mediciones de difractómetro de rayos X (XRD) en Ti₃C₂T_x puro y películas compuestas MXene de capas alternadas. Como se detalla en Archivo Adicional 1: Figura S4a, tras grabado selectivo y delimitación, la película Ti₃C₂T_x pura fabricada presenta un pico de difracción (002) fuerte a 7,15°, consistente con resultados reportados previamente [11, 33, 37]. Como se muestra en Archivo Adicional 1: Figura S4b, se ve que el pico de difracción (002) se desplaza de 12,86° para Nb₂AlC MAX a 7,05° para película Nb₂CT_x debido al grabado completo de capas atómicas Al [27]. Los resultados XPS se muestran en Archivo Adicional 1: Figura S3. El espectro F 1s de MXene de capas alternadas en Fig. S3b puede descomponerse en dos picos a 684,72 y 686,45 eV, representando Ti-F y Al-F, respectivamente [15, 16]. Los resultados XRD también se listan en Fig. 2j. Comparación entre película Ti₃C₂T_x pura y película compuesta MXene de capas alternadas 5 % en peso muestra que la intensidad del pico de difracción (002) disminuye obviamente, indicando la introducción de nanohojas Nb₂CT_x. A medida que los contenidos Nb₂CT_x aumentan de 10 a 15 % en peso, los cambios en el ángulo de difracción disminuyen gradualmente, lo que significa que el espaciado intercapas de películas compuestas MXene de capas alternadas aumenta gradualmente debido a la interacción entre nanohojas Nb₂CT_x y Ti₃C₂T_x. Sin embargo, con contenido Nb₂CT_x aumentando de 20 a 25 % en peso, el ángulo de difracción aumenta gradualmente de 0,6170 a 0,7536 nm (en Archivo Adicional 1: Tabla S1). Los resultados revelan que debido a la introducción de nanohojas Nb₂CT_x excesivas, nanohojas Nb₂CT_x y Ti₃C₂T_x se amontonan, y el espaciado intercapas de películas compuestas MXene de capas alternadas se reduce (de 0,7530 a 0,7371 nm). Los resultados XRD son consistentes con resultados SEM. Para confirmar más la composición de películas compuestas MXene de capas alternadas, también se realizó análisis Raman. La Figura 2k muestra los espectros Raman de Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x, y películas compuestas MXene de capas alternadas con diferentes contenidos Nb₂CT_x. Las ilustran los modos vibracionales esperados para Ti₃C₂T_x (Fig. 2k). Picos a 157, 254, 423, y 615 cm⁻¹ se asignan a modos vibracionales E_g de vibraciones fuera de plano de átomos Ti y C en películas compuestas MXene de capas alternadas. El pico a 197 cm⁻¹ se atribuye a modos vibracionales A_g de vibraciones en plano de átomos Ti, C, y grupos funcionales de superficie [38]. Comparado con película Ti₃C₂T_x pura, la intensidad y semi-ancho del pico E_g de películas compuestas MXene de capas alternadas han cambiado, indicando que vibraciones en plano Ti y C, grupos de superficie, y espaciado intercapas han cambiado todos [39], lo que podría atribuirse a la reacción entre nanohojas Nb₂CT_x y Ti₃C₂T_x.

a Imagen SEM típica de película Ti₃C₂T_x. Imagen SEM transversal de sección transversal de películas compuestas de capas alternadas con contenidos Nb₂CT_x: b 5 % en peso, c 10 % en peso d 15 % en peso, e 20 % en peso, f 25 % en peso. h Datos mapeo EDS de película MXene 15 % en peso de capas alternadas. j Patrones XRD de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas. k Espectros Raman de Ti₃C₂T_x y películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas con varias ratios

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 modo contacto-separación, donde la película de nailon superior y la película compuesta MXene de capas alternadas inferior funcionan como capas dieléctricas positiva y negativa, respectivamente. Las cargas eléctricas generadas entre las dos superficies de fricción construyen un campo eléctrico. El cambio de distancia crea un campo eléctrico alterable, seguido por corriente de desplazamiento entre los dos electrodos del circuito externo. Consecuentemente, al aplicarse y liberarse disparador periódicamente al TENG, los electrones retroceden y avanzan durante el contacto y separación periódicos, generando corriente alterna a través del circuito externo. Para evaluar el papel de Nb₂CT_x, la salida eléctrica de AM-TENG con ratio de peso Nb₂CT_x variando 0 a 25 % se llevó a cabo, incluyendo voltaje de circuito abierto (V_oc), densidad de corriente de cortocircuito (I_sc), y densidad de carga transferida (Q_sc). TENG basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas con mismo espesor se midió bajo mismas condiciones, como se muestra en Fig. 3b–d. Obviamente, se ve que densidad I_sc, V_oc, y Q_sc de AM-TENG 15 % en peso aumentaron simultáneamente notablemente comparado con película Ti₃C₂T_x pura. A medida que la cantidad de Nb₂CT_x aumenta a 15 % en peso, la salida generada densidad I_sc, V_oc, y Q_sc de AM-TENG aumentan gradualmente hasta 8,06 μA/cm², 34,63 V, y 11,19 nC, respectivamente, que son 8,4 veces, 3,5 veces, y 3,6 veces superiores a película Ti₃C₂T_x pura (0,96 μA/cm², 9,94 V, y 3,08 nC), como se describe en Fig. 3a y b. Sin embargo, cuando la cantidad de peso Nb₂CT_x aumenta más de 15 a 25 %, la densidad I_sc, V_oc, y Q_sc disminuyen a 1,97 μA/cm², 19,74 V, y 5,30 nC, respectivamente. Archivo Adicional 1: Figura S5 resume la tendencia de variación de densidad I_sc, V_oc, y Q_sc con aumento gradual de ratio de peso Nb₂CT_x.

a Diagrama esquemático de AM-TENG en modo trabajo contacto-separación. b V_oc, c densidad I_sc, y d señales Q_sc de AM-TENG con diferentes contenidos Nb₂CT_x a 2 Hz. e Constante dieléctrica de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas con diferentes contenidos Nb₂CT_x

Para el modo contacto-separación del AM-TENG, la constante dieléctrica es parámetro importante para determinar rendimiento de salida. Por tanto, la constante dieléctrica de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas fue caracterizada por modelo de permitividad compleja en rango frecuencia 0,1 a 1000 MHz. Luego, la constante dieléctrica de Ti₃C₂T_x y películas compuestas MXene de capas alternadas con diferentes concentraciones Nb₂CT_x y frecuencias se muestra en Fig. 3e. Se ve en Fig. 3e que a medida que ratio de dopaje aumenta 0 a 15 % en peso, la constante dieléctrica aumenta 0,02 a 0,04. Con ratio de peso aumentando hasta 25 % en peso, la constante dieléctrica disminuye 0,03 a 0,02. La constante dieléctrica de película compuesta MXene de capas alternadas es mayor que película Ti₃C₂T_x pura debido a formación de red interfacial de microcapacitores [21]. A concentraciones mayores, la conductividad entre Ti₃C₂T_x y Nb₂CT_x probablemente se agrega, formando red conductora y por tanto destruyendo propiedades dieléctricas de película MXene de capas alternadas. Por tanto, fuga de electricidad puede llevar a disminución en rendimiento de salida [41]. Los resultados revelan que la constante dieléctrica máxima se obtiene con concentración 15 % en peso Nb₂CT_x, que tiene buena consistencia con resultados eléctricos en Fig. 3b-d. En otras palabras, con aumento de constante dieléctrica, contenido Nb₂CT_x mejoró aún más el rendimiento triboeléctrico.

Para clarificar más la relación teórica entre salida de AM-TENG y concentración de relleno, TENG puede reducirse a modelo capacitor plano en Archivo Adicional 1: Figura S6. La intensidad de campo eléctrico en espacio de aire y dieléctrico se da por [42]:

Dentro dieléctrico 1: E₁ = σ_I(x,t) / ε_r1

Dentro dieléctrico 2: E₂ = σ_I(x,t) / ε_r2

Dentro espacio aire: E_air = (σ_I(x,t) - σ_c) / ε_o

σ_c es densidad de carga superficial. La distancia (x) de dos capas triboeléctricas varía con fuerza mecánica, y σ_I(x, t) son electrones libres transferidos en el electrodo. ε_o es permitividad de vacío, y d₁ y d₂ son espesores de material dieléctrico. ε_r1 y ε_r2 son constante dieléctrica relativa de dieléctrico 1 y 2, respectivamente.

El voltaje entre dos electrodos puede darse por

V = σ_I(x,t) (d₁/ε_r1 + d₂/ε_r2) + x[σ_I(x,t) - σ_c] / ε_o

Bajo condiciones de cortocircuito y V = 0

σ_I(x,t) = x σ_c / (ε_od₁/ε_r1 + ε_od₁/ε_r1 + x)

La ecuación (5) muestra que la densidad de carga transferida σ_I aumenta con aumento de densidad de carga triboeléctrica σ_c en superficie dieléctrica y permitividad de dieléctrico ε_r1 y ε_r2, respectivamente. Según la fórmula, la salida eléctrica aumenta al aumentar la constante dieléctrica del material dieléctrico lo que apoya firmemente los resultados experimentales en Fig. 3.

Para estimar más las propiedades de fricción de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas, se comparó película comercial PTFE con mismo grupo funcional -F. Bajo mismas condiciones de prueba, como se muestra en Fig. 4a–c, el I_pp-sc de 8,65 μA/cm², 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 película comercial PTFE. Ilustra que película de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas es material triboeléctrico prometedor. La Figura 4d representa densidad de corriente, voltaje basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas con 15 % en peso Nb₂CT_x como función de resistencia de carga externa variando 0,01 a 80 MΩ. Obviamente, la densidad de corriente de cortocircuito disminuye con aumento de resistencia externa conectada, mientras V_oc sigue tendencia creciente. La potencia instantánea del TENG se obtiene calculando voltaje de carga medido y densidad de corriente con resistores. La potencia pico correspondiente del TENG es aproximadamente 0,10 mW/cm² bajo resistencia de carga 5 MΩ (Fig. 4e). También exploramos aplicación práctica de TENG como cosechador de energía y fuente de alimentación. Tras rectificación, voltajes que pueden almacenarse cargando capacitores 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF, y 10,0 μF por 180 s son 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V, y 0,22 V, respectivamente (Fig. 4f).

Rendimiento de salida de AM-TENG basado en película compuesta con 15 % Nb₂CT_x o película comercial PTFE. a V_oc, b densidad I_sc, y c Q_sc. d Densidad de corriente de salida y voltaje y e densidad de potencia de AM-TENG basado en película compuesta con 15 % en peso Nb₂CT_x como función de resistencia de carga externa. f Análisis de rendimiento de carga de películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas bajo diferentes capacidades de capacitancia

Además, el AM-TENG puede cosechar energía mecánica de movimientos humanos simples y convertirlos en señales eléctricas. El V_oc del dispositivo bajo diferentes movimientos humanos, como usar ratón, enviar mensajes, teclear, palmadas en mano, golpes en mano, y aplausos, fue registrado. Como se muestra en Fig. 5a y Archivo Adicional 2: video 1 en Información de Apoyo, usar ratón continuamente produce V_oc 2,45 V. Después, al deslizar y enviar mensajes en móvil (Fig. 5b y Archivo Adicional 3: Video 2), el resultado muestra V_oc 2,46 V obtenido. Subsecuentemente, como Fig. 5c y 5d representan (Archivos Adicionales 4, 5: Video 3 y 4), palmadas en piernas y golpes en piernas producen V_oc 9,30 V y 18,68 V, respectivamente. Y luego, de Fig. 5e y Archivo Adicional 6: Video 5, se verifica que golpes en piernas producen V_oc 18,72 V. Finalmente, en Fig. 5f (Archivo Adicional 7: Video 6), V_oc 27,61 V es generado por aplausos. En resumen, se ha vuelto aparente que AM-TENG tiene enorme potencial de aplicación en aplicaciones portátiles.

Señales V_oc de AM-TENG bajo diferentes estados de movimiento. a Usar ratón, b Enviar mensajes, c Teclear, d Palmadas, e Golpes, f Aplausos

Conclusión

En resumen, TENG de alto rendimiento basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas con abundante grupo -F mediante apilamiento capa por capa fue fabricado exitosamente. Las intercapas Nb₂CT_x introducidas no solo prometen microestructura intrínseca uniforme de películas compuestas y proporcionan más nano-canales para grupos -F efectivos, sino que también aumentan la constante dieléctrica. Cuando la cantidad de Nb₂CT_x aumenta a 15 % en peso, el TENG basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas alcanza la salida máxima. La densidad de corriente de cortocircuito y voltaje de 8,06 μA/cm² y 34,63 V son 8,4 veces y 3,5 veces superiores a película Ti₃C₂T_x pura y 4,3 veces y 3,3 veces superiores a película comercial poli(tetrafluoroetileno)(PTFE). Adicionalmente, el TENG fabricado puede adherirse al cuerpo humano para cosechar energía de movimientos humanos simples, como teclear, enviar mensajes, y aplaudir. Los resultados demuestran que las películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas mediante apilamiento capa por capa pueden poseer rendimiento triboeléctrico notable, lo que enriquece la familia de materiales triboeléctricos y suministra nueva opción para TENG de alta salida.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos están completamente disponibles sin restricción.

Abreviaturas

TENG:

Nanogenerador triboeléctrico

F:

Grupos fluoruro

PTFE:

Poli(tetrafluoroetileno)

2D:

Bidimensional

AM-TENG:

TENG basado en películas de nanohojas compuestas MXene de capas alternadas

XRD:

Difractómetro de rayos X

SEM:

Microscopio electrónico de barrido

EDS:

Espectroscopio de rayos X dispersivo en energía

I-PrA:

Isopropilamina

V _oc :

Voltaje de circuito abierto

I _sc :

Densidad de corriente de cortocircuito

Q _sc :

Densidad de carga transferida