Nanogerador Triboelétrico baseado em filme composto de MXene em camada alternativa com desempenho elétrico aprimorado

Resumo

A potência de saída do nanogerador triboelétrico (TENG) depende fortemente do desempenho dos materiais triboelétricos, especialmente microestruturas e grupos funcionais dos mesmos. Neste trabalho, visando a excelente capacidade triboelétrica, são projetados e fabricados TENG à base de filmes compostos de MXene em camadas alternadas com abundantes grupos de flúor (-F) através do empilhamento camada por camada. Beneficiando-se da microestrutura intrínseca uniforme e do aumento da constante dielétrica, quando a quantidade de Nb ₂ CT _x nanofolhas aumentam para 15% em peso, o TENG baseado no Nb ₂ CT _x / Ti ₃ C ₂ T _x os filmes de nanofolhas compostas alcançam a saída máxima. A densidade de corrente de curto-circuito de 8,06 μA / cm ² e a tensão de 34,63 V são 8,4 vezes e 3,5 vezes maiores que a do Ti puro ₃ C ₂ T _x filmes, e 3,3 vezes e 4,3 vezes mais que os filmes comerciais de poli (tetrafluoroetileno) (PTFE), respectivamente. Além disso, o TENG fabricado pode ser conectado ao corpo humano para coletar energia dos movimentos humanos, como digitar, enviar mensagens de texto e bater palmas. Os resultados demonstram que as películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas através do empilhamento de camada por camada possuem desempenho notável triboelétrico, que amplia a escolha de materiais triboelétricos negativos e fornece uma nova escolha para TENG de alto rendimento.

Introdução

Como a temperatura global continua a subir, o desenvolvimento de tecnologias de coleta de energia verde é urgente. O TENG baseado no efeito de acoplamento de carga de contato e indução eletrostática é considerado uma tecnologia poderosa que converte efetivamente a energia mecânica do ambiente em energia elétrica [1,2,3]. Até agora, vários tipos de TENGs foram amplamente investigados devido às vantagens de leveza, fácil fabricação, seleção de vários materiais e alta eficiência de conversão de energia [4,5,6]. Embora teorias e experimentos tenham verificado que o desempenho do TENG poderia ser melhorado pela otimização de materiais triboelétricos, ainda permanece um desafio significativo fabricar o TENG com alta potência de saída. Vários estudos anteriores mostram que alguns grupos funcionais especiais (–F [7], –NH ₂ [8], –CH ₃ [9]) poderia afetar a capacidade dos materiais triboelétricos de ganhar ou perder elétrons e, assim, modular efetivamente o desempenho de triboeletrificação de contato do TENG [10].

O MXene, como uma nova família de nanomateriais bidimensionais (2D), é um novo tipo de carbonetos ou nitretos de metais de transição em camadas que podem ser sintetizados por decapagem seletiva de elementos "A" de sua fase precursora MAX [11]. A fórmula geral de MXenes é M _{n +1} X _n T _x , onde M, X e T _x representam os metais de transição (como Sc, Ti, Zr, Hf, V e Nb), C ou N ( n =1, 2 ou 3), e vários grupos de extremidade de superfície (-F, -OH, =O), respectivamente [12,13,14]. Os grupos -F possuem a capacidade de retirada de elétrons mais forte, enquanto a densidade mais alta do grupo -F resulta em densidade de carga mais intensa [15]. O aumento no espaçamento entre camadas em nanoescala entre as nanofolhas de MXene em camadas alternadas aumentará efetivamente o canal de grupos -F, o que conduz a mais grupos -F fluindo entre as nanofolhas de filme composto. Portanto, MXenes são esperados como materiais triboelétricos negativos ideais para TENGs. Portanto, MXenes são esperados como materiais triboelétricos negativos ideais para TENGs [16,17,18]. Todo poli (álcool vinílico) eletrofiado / Ti ₃ C ₂ T _x TENG flexível baseado em nanofibras foi relatado que a incorporação de Ti ₃ C ₂ T _x aumentou significativamente a propriedade dielétrica e, portanto, melhorou o desempenho da saída triboelétrica [19]. Enquanto isso, Wang et al. apresentam nanocompósitos de polidimetilsiloxano com Ti tridimensional interconectado ₃ C ₂ T _x serviu como um material triboelétrico negativo, que poderia ser preparado por liofilização unidirecional e métodos de impregnação assistida a vácuo [20]. Cao et al. relata um TENG à prova d'água altamente flexível e de alto desempenho baseado em um novo tecido Ti ₃ C ₂ T _x / Nanocompósito Ecoflex para coleta universal de energia de vários movimentos humanos [21].

No entanto, como muitos outros materiais 2D, o desempenho do MXene é prejudicado devido à sua agregação, [22] o que resulta em nanocanais limitados para o grupo -F [23]. Para fazer uso completo de suas propriedades eletroquímicas, Ti ₃ C ₂ T _x nanofolhas contendo uma estrutura porosa e espaçadores intercamadas foram relatados [24]. A introdução de espaçadores intercamadas [25,26,27] (como grafeno [28], polímero [29, 30], óxido de grafeno [31] e nanopartículas de óxido de metal [32]) em MXene também melhorou significativamente o desempenho de saída do TENG .

Aqui, a estrutura de camadas empilhadas é adotada para projetar e fabricar filmes compostos de MXene em camadas alternativas com grupo-F abundante e microestrutura intrínseca uniforme. O Nb ₂ CT _x nanofolhas são escolhidas como espaçadores devido à sua maior eletronegatividade do que os nanomateriais à base de carbono, e Ti ₃ C ₂ T _x serve como o material a granel devido à sua alta eletronegatividade. As películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas preparadas podem efetivamente reduzir o auto-empilhamento de Ti ₃ C ₂ T _x nanofolhas e aumentar o espaçamento entre camadas entre Ti ₃ C ₂ T _x nanofolhas, que fornecerão nanocanais mais eficazes para o grupo -F. Verificou-se que tal TENG (AM-TENG) baseado em películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas atinge o melhor desempenho com a proporção de peso de 15% Nb ₂ CT _x . A densidade de corrente de saída máxima e a tensão são 8,06 μA / cm ² e 34,63 V, respectivamente, que são 8,4 vezes e 3,5 vezes maiores que o Ti ₃ puro C ₂ T _x filmes e 4,1 vezes e 4,2 vezes mais que os filmes comerciais de PTFE. Além disso, a capacidade de captação de energia do TENG baseado em filmes compostos de MXene de camadas alternativas é demonstrada por meio do carregamento do capacitor. Este trabalho demonstra um novo tipo de material triboelétrico para a colheita de energia verde de alta eficiência.

Métodos

Materiais

Todos os produtos químicos usados ​​não foram mais purificados. Ti ₃ AlC ₂ e Nb ₂ Os pós de AlC foram adquiridos de Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. A isopropilamina foi fornecida por Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Preparações

Em primeiro lugar, 1,6 g de LiF (Aladdin) foi dissolvido em 20 mL de solução de ácido clorídrico (Sigma, 9 M). Então, 1,0 g de Ti ₃ AlC ₂ foi adicionado lentamente (dentro de 10 min) à mistura acima sob condição de agitação contínua. Posteriormente, a reação continuou por um dia sob temperatura de 35 ℃. Terceiro, a suspensão preparada foi lavada com água desionizada por várias vezes até seu pH atingir 6. Finalmente, o Ti homogêneo ₃ C ₂ T _x solução foi sonicada em banho de gelo por 1 h e foi posteriormente centrifugada por mais 1 h a 3500 rpm. Um total de 1 g de Nb ₂ Pó de AlC foi adicionado gradualmente (dentro de 5 min) em 10 mL de solução fluorídrica a 50% em peso. Em seguida, a solução foi agitada constantemente por dois dias a 35 ° C para gravar a camada de Al do Nb ₂ AlC. Após centrifugação e lavagem repetida com água desionizada, os sedimentos coletados com pH acima de 6 foram dispersos em 10 mL de solução de isopropilamina por um dia à temperatura ambiente para posterior intercalação. Após centrifugação, o sedimento úmido foi disperso em 100 mL de água desionizada. Finalmente, após uma etapa de centrifugação de 1 h em velocidade de rotação de 3500 rpm, o Nb homogêneo ₂ CT _x solução foi obtida.

Fabricação de TENG

O TENG trabalhando no modo de separação de contato foi fabricado. Primeiro, um pedaço de folha de cobre foi fixado em uma placa de acrílico para formar um eletrodo de formato quadrado com um tamanho de 1 cm x 1 cm (comprimento x largura). Em seguida, um filme de náilon de 1 cm x 1 cm preso à folha de Cu foi usado como camada de fricção. Posteriormente, a outra contraparte com filme composto de MXene em camadas alternadas como camada de atrito foi fabricada de acordo com as mesmas etapas. Comparado com o PTFE-TENG, a única diferença é o uso de filme composto MXene de camadas alternativas em vez de filmes PTFE comerciais. A tensão de saída de circuito aberto, corrente de curto-circuito e carga de transferência das películas de nanofolhas compostas MXene de camadas alternativas foram medidas por eletrômetros Keithley 6517B. O motor linear (Linmot E1100) foi aplicado para fornecer um disparo periódico externo na frequência de 2 Hz.

Caracterização de materiais

A estrutura cristalina foi caracterizada por um difratômetro de raios-X de pó (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2 θ faixa de 5 ° a 60 °) com radiação Cu Kɑ. A morfologia das nanofolhas foi confirmada usando microscópio eletrônico de varredura (SEM, Hitachi SU8010), e o mapeamento de espectroscopia de raios-X dispersiva de energia (EDS) foi realizado no mesmo instrumento (IXRF SYSTEMS). Os espectros Raman (LABRAM HR EVOLUTION) foram adquiridos através de um microscópio confocal Raman com um comprimento de onda de excitação de 532 nm e uma grade espectral de 1800 linhas / mm. Os espectros foram adquiridos focalizando o laser por meio de uma objetiva de 50 ×. Um medidor LCR (Hioki, IM 3536) foi usado para avaliar a constante dielétrica das nanofolhas.

Resultados e discussão

A Figura 1 mostra uma ilustração esquemática do processo de fabricação passo a passo das películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas. Algumas camadas de Ti ₃ C ₂ T _x MXene foi preparado através de precursores de corrosão Ti ₃ AlC ₂ usando solução de HCl / LiF [33] e foram sonicados em banho de gelo (Fig. 1 I). De acordo com a Fig. 1 II, as camadas atômicas de Al foram gravadas por HF de Nb ₂ Fase AlC MAX [27, 34,35,36]. Solução de isopropilamina (I-PrA) foi intercalada entre multicamadas Nb ₂ CT _x para aumentar o espaçamento entre camadas, seguido de agitação manual para delaminar o Nb ₂ CT _x em nanofolhas de poucas camadas [27]. No Ti adquirido ₃ C ₂ T _x nanofolhas, átomos de titânio foram organizados em uma estrutura compacta, átomos de carbono preencheram os sítios intersticiais octaédricos e T _x (–F, –OH, =O) estavam na superfície da camada externa de Ti, que formam uma estrutura de sanduíche em camadas. Da mesma forma, para Nb ₂ CT _x , átomos de nióbio preencheram a posição octaédrica do vértice, montando uma estrutura ABAB em camadas. O efeito de espalhamento de Tyndall observado na Fig. 1 reflete que ambos Ti ₃ C ₂ T _x solução e Nb ₂ CT _x solução apresentou excelente estabilidade e dispersão, o que prometia a uniformidade de cada camada. Finalmente, as películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas foram construídas através do empilhamento ABAB sob filtração a vácuo (Arquivo adicional 1:Figura S1).

Ilustração esquemática do processo de fabricação de películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas

As caracterizações de películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternadas são apresentadas na Fig. 2. Através do ataque químico da estratificação do átomo de Al a partir de Ti ₃ AlC _2, o Ti ₃ de poucas camadas adquirido C ₂ T _x expressa a estrutura laminada típica, que é exatamente como MXenes típicos, conforme indicado na Fig. 2a. Como mostrado na Fig. 2b-f, as razões de peso de películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas de 5%, 10%, 15%, 20% e 25% têm uma estrutura de multicamadas solta. Além disso, quando Nb ₂ CT _x o conteúdo aumenta de 5 para 10% em peso, o espaçamento entre camadas em nanoescala entre as nanofolhas dos filmes compostos aumenta gradualmente. De 15 a 25% em peso, o espaçamento interlayer em nanoescala entre as nanofolhas nos filmes compostos não tem grandes mudanças. Assim, o Ti ₃ delaminado C ₂ T _x nanofolhas e nanofolhas MXene de camadas alternativas são preparadas com êxito. Para explicar o grau de mistura homogênea do Nb ₂ CT _x nanofolhas nos filmes de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas, imagens de mapeamento de espectroscopia de raios-X de dispersão de energia (EDS) da seção transversal são obtidas. Elementos Nb, Ti, O e F são detectados em toda a região digitalizada, conforme mostrado na Fig. 2h (e Arquivo adicional 1:Figura S2). Pode-se observar que os elementos Nb e Ti têm distribuição igual nos filmes compostos, mostrando que Ti ₃ C ₂ T _x e Nb ₂ CT _x nanofolhas são empilhadas uniformemente. A fim de analisar melhor as fases do material e a mudança de espaçamento entre camadas entre Ti ₃ C ₂ T _x e Nb ₂ CT _x nanofolhas, medições de difratômetro de raios-X (XRD) foram realizadas em Ti puro ₃ C ₂ T _x e películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas. Conforme detalhado no arquivo adicional 1:Figura S4a, após corrosão seletiva e delaminação, o Ti puro fabricado ₃ C ₂ T _x o filme apresenta um forte pico de difração (002) em 7,15 °, o que é consistente com os resultados relatados anteriormente [11, 33, 37]. Conforme mostrado no arquivo adicional 1:Figura S4b, pode ser visto que o pico de difração (002) muda de 12,86 ° para o Nb ₂ AlC MAX a 7,05 ° para Nb ₂ CT _x filme devido à gravação completa de camadas de átomos de Al [27]. Os resultados do XPS são exibidos no arquivo adicional 1:Figura S3. O espectro F 1 s de MXene em camadas alternativas na Fig. S3b pode ser deconvoluído em dois picos a 684,72 e 686,45 eV, representando Ti-F e Al-F, respectivamente. [15, 16] Os resultados de XRD também estão listados na Fig. 2j. Comparação entre o Ti puro ₃ C ₂ T _x e 5% em peso do filme de nanofolha composta de MXene em camadas alternadas mostra que a intensidade do pico de difração (002) obviamente diminui, o que indica a introdução de Nb ₂ CT _x nanofolhas. Como o Nb ₂ CT _x o conteúdo aumenta de 10 para 15% em peso, as mudanças no ângulo de difração diminuem gradualmente, o que significa que o espaçamento entre camadas dos filmes compostos de nanofolhas de MXene em camadas alternativas aumenta gradualmente devido à interação entre o Nb ₂ CT _x nanofolhas e Ti ₃ C ₂ T _x nanofolhas. No entanto, com o Nb ₂ CT _x aumentando o conteúdo de 20 para 25% em peso, o ângulo de difração gradualmente aumenta de 0,6170 para 0,7536 nm (no arquivo adicional 1:Tabela S1). Os resultados revelam que devido à introdução de Nb ₂ excessivo CT _x nanofolhas, Nb ₂ CT _x nanofolhas e Ti ₃ C ₂ T _x as nanofolhas se acumulam e o espaçamento entre camadas dos filmes de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas é reduzido (de 0,7530 para 0,7371 nm). Os resultados de XRD são consistentes com os resultados de SEM. Para confirmar ainda mais a composição de películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas, a análise Raman também foi realizada. A Figura 2k mostra os espectros Raman do Nb ₂ CT _x , Ti ₃ C ₂ T _x , e películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas com diferentes Nb ₂ CT _x conteúdo. As amostras ilustram os modos vibracionais esperados para Ti ₃ C ₂ T _x (Fig. 2k). Picos em 157, 254, 423 e 615 cm ⁻¹ são atribuídos a E _g modos vibracionais de vibrações fora do plano de átomos de Ti e C nos filmes compostos de MXene em camadas alternadas. O pico em 197 cm ⁻¹ é atribuído a A _g modos vibracionais do Ti no plano, C e átomos do grupo funcional de superfície [38]. Comparado com o Ti puro ₃ C ₂ T _x filme, a intensidade e meia largura do E _g pico de películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas mudaram, indicando que as vibrações de Ti e C no plano, grupos de superfície e o espaçamento entre camadas mudaram [39], o que pode ser atribuído à reação entre Nb ₂ CT _x nanofolhas e Ti ₃ C ₂ T _x nanofolhas.

a A imagem SEM típica do Ti ₃ C ₂ T _x filme. Imagem SEM transversal de seção transversal de filmes compostos MXene de camadas alternativas com Nb ₂ CT _x conteúdo: b 5% em peso, c 10% em peso d 15% em peso, e 20% em peso, f 25% em peso. h Dados de mapeamento EDS de filme MXene de camada alternativa de 15% em peso. j Padrões de XRD das películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas. k Espectros Raman do Ti ₃ C ₂ T _x e películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas com várias proporções

A Figura 3a mostra o mecanismo de trabalho do AM-TENG, que contém triboeletrificação de contato e induções eletrostáticas [40]. O AM-TENG opera sob o modo de separação por contato, onde o filme de náilon superior e o filme de nano folha composto de MXene de camada alternativa inferior funcionam como as camadas dielétricas positiva e negativa, respectivamente. As cargas elétricas geradas entre as duas superfícies de atrito criam um campo elétrico. A mudança da distância cria um campo elétrico alterável, seguido por um deslocamento de corrente entre os dois eletrodos do circuito externo. Conseqüentemente, conforme o gatilho é periodicamente aplicado e liberado para o TENG, os elétrons vão e voltam durante o contato e separação periódicos, gerando corrente alternada através do circuito externo. Para avaliar o papel do Nb ₂ CT _x , a saída elétrica do AM-TENG com o Nb ₂ CT _x razão de peso variando de 0 a 25% foi realizada, incluindo tensão de circuito aberto ( V _oc ), corrente de curto-circuito ( I _sc ) densidade e densidade de carga transferida ( Q _sc ) O TENG baseado nas películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas com a mesma espessura foi medido nas mesmas condições, conforme mostrado na Fig. 3b-d. Obviamente, pode-se ver que eu _sc densidade, V _oc e Q _sc de 15% em peso de AM-TENG simultaneamente aumentou notavelmente em comparação com o Ti ₃ puro C ₂ T _x filme. Conforme a quantidade do Nb ₂ CT _x aumenta para 15% em peso, a saída gerada I _sc densidade, V _oc e Q _sc do AM-TENG aumentar gradualmente até 8,06 μA / cm ² , 34,63 V e 11,19 nC, respectivamente, que são 8,4 vezes, 3,5 vezes e 3,6 vezes mais que o Ti ₃ puro C ₂ T _x filme (0,96 μA / cm ² , 9,94 V e 3,08 nC), conforme descrito na Fig. 3a e b. No entanto, quando a quantidade de peso de Nb ₂ CT _x aumenta ainda mais de 15 para 25%, o I _sc densidade, V _oc e Q _sc diminuir para 1,97 μA / cm ² , 19,74 V e 5,30 nC, respectivamente. Arquivo adicional 1:A Figura S5 resume a tendência de variação de I _sc densidade, V _oc e Q _sc com o aumento do gradiente de Nb ₂ CT _x proporção de peso.

a Diagrama esquemático de AM-TENG no modo de trabalho por separação de contatos. b V _oc , c eu _sc densidade e d Q _sc sinais de AM-TENG com Nb ₂ diferente CT _x conteúdo a 2 Hz. e Constante dielétrica de películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas com Nb ₂ diferente CT _x conteúdo

Para o modo de separação de contato do AM-TENG, a constante dielétrica é um parâmetro importante para determinar o desempenho de saída. Portanto, a constante dielétrica de películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas foi caracterizada por um modelo de permissividade complexo na faixa de frequência de 0,1 a 1000 MHz. Então, a constante dielétrica do Ti ₃ C ₂ T _x e películas de nanofolhas compostas MXene de camadas alternativas com diferentes Nb ₂ CT _x concentrações e frequências é mostrado na Fig. 3e. Pode ser visto na Fig. 3e que à medida que a razão de dopagem aumenta de 0 a 15% em peso, a constante dielétrica aumenta de 0,02 para 0,04. Com a razão de peso aumentando ainda mais até 25% em peso, a constante dielétrica diminui de 0,03 para 0,02. A constante dielétrica do filme de nanofolhas compósito MXene de camadas alternativas é maior do que o Ti puro ₃ C ₂ T _x filme devido à formação da rede interfacial microcapacitores [21]. Em concentrações mais altas, o condutor entre Ti ₃ C ₂ T _x e Nb ₂ CT _x prováveis ​​agregados, formando uma rede condutiva e, portanto, destruindo as propriedades dielétricas do filme de MXene em camadas alternadas. Portanto, o vazamento de eletricidade pode levar a uma diminuição no desempenho de saída [41]. Os resultados revelam que a constante dielétrica máxima é obtida com 15% em peso Nb ₂ CT _x concentração, que tem boa consistência com os resultados elétricos na Fig. 3b-d. Em outras palavras, com o aumento da constante dielétrica, Nb ₂ CT _x o conteúdo melhorou ainda mais o desempenho triboelétrico.

A fim de esclarecer ainda mais a relação teórica entre a saída de AM-TENG e a concentração de enchimento, TENG pode ser reduzido a um modelo de capacitor de tela plana no arquivo adicional 1:Figura S6. A intensidade do campo elétrico no entreferro e dielétrico é dada por [42]:

Dentro do dielétrico 1
$$ E_ {1} =\ frac {{\ sigma_ {I} (x, t)}} {{\ varepsilon_ {r1}}} $$ (1)
Dentro do dielétrico 2
$$ E_ {2} =\ frac {{\ sigma_ {I} (x, t)}} {{\ varejpsilon_ {r2}}} $$ (2)
Espaço interno de ar
$$ E _ {{{\ text {air}}}} =\ frac {{\ sigma_ {I} (x, t) - \ sigma_ {c}}} {{\ varepsilon_ {o}}} $$ (3 )
\ (\ upsigma _ {c} \) é a densidade de carga superficial. A distância ( x ) de duas camadas triboelétricas varia com a força mecânica, e \ (\ upsigma _ {I} \) (x, t) é transferido elétrons livres no eletrodo. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {o} \) é permissividade de vácuo, e d ₁ e d ₂ são a espessura do material dielétrico. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) e \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r2} \) são a constante dielétrica relativa do dielétrico 1 e a constante dielétrica relativa do dielétrico 2, respectivamente.

A tensão entre os dois eletrodos pode ser dada por
$$ V =\ sigma_ {I} (x, t) \ left ({\ frac {{d_ {1}}} {{\ varejpsilon_ {r1}}} + \ frac {{d_ {2}}} {{ \ varejpsilon_ {r2}}}} \ right) + \ frac {{x [\ sigma_ {I} (x, t) - \ sigma_ {c}]}} {{\ varejpsilon_ {o}}} $$ (4 )
Em condições de curto-circuito e V =0
$$ \ sigma_ {I} (x, t) =\ frac {{x \ sigma_ {c}}} {{\ frac {{\ varejpsilon_ {o} d_ {1}}} {{\ varejpsilon_ {r1}} } + \ frac {{\ varepsilon_ {o} d_ {1}}} {{\ varepsilon_ {r1}}} + x}} $$ (5)
A equação (5) mostra que a densidade de carga de transferência \ (\ upsigma _ {I} \) aumenta com um aumento da densidade de carga triboelétrica \ (\ upsigma _ {c} \) na superfície dielétrica e a permissividade do dielétrico \ ( {{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) e \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \), respectivamente. De acordo com a fórmula, a saída elétrica aumenta à medida que a constante dielétrica do material dielétrico aumenta, o que apóia firmemente os resultados experimentais na Fig. 3.

A fim de estimar ainda mais as propriedades de atrito das películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas, uma película de PTFE comercial com o mesmo grupo funcional -F foi comparada. Sob as mesmas condições de teste, conforme mostrado na Fig. 4a-c, o I _pp-sc de 8,65 μA / cm ² , V _oc de 37,63 V e Q _sc de 13,24 nC, respectivamente, é 4,3 vezes, 3,3 vezes e 3,0 vezes maior que o do filme comercial de PTFE. Ele ilustra que o filme de nanofolhas compósito MXene de camadas alternativas é um material triboelétrico promissor. A Figura 4d representa a densidade de corrente, voltagem baseada em películas de nanofolhas compostas de MXene de camadas alternativas com 15% em peso de Nb ₂ CT _x em função da resistência de carga externa variando de 0,01 a 80 MΩ. Obviamente, a densidade da corrente de curto-circuito diminui com o aumento da resistência externa conectada, enquanto o V _oc segue uma tendência crescente. A potência instantânea do TENG é obtida calculando a tensão de carga medida e a densidade de corrente com os resistores. A potência de pico correspondente do TENG é de cerca de 0,10 mW / cm ² sob uma resistência de carga de 5 MΩ (Fig. 4e). Também exploramos a aplicação prática do TENG como coletor de energia e fonte de alimentação. Após a retificação, as tensões que podem ser armazenadas carregando capacitores de 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF e 10,0 μF para 180 s são 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V e 0,22 V, respectivamente (Fig. 4f).

O desempenho de saída do AM-TENG baseado em filme composto com 15% Nb ₂ CT _x conteúdo ou filme comercial PTFE. a V _oc , b eu _sc densidade e c Q _sc . d A densidade de corrente de saída e tensão e e densidade de potência de am-TENG com base em filme composto com 15% em peso de Nb ₂ CT _x conteúdo em função da resistência à carga externa. f Análise do desempenho de carga das películas de nanofolhas compostas MXene de camadas alternativas sob diferentes capacidades de capacitância

Além disso, o AM-TENG pode coletar energia mecânica de movimentos humanos simples e convertê-los em sinais elétricos. O V _oc do dispositivo sob diferentes movimentos humanos, como o uso do mouse, mensagens de texto, digitação, tapas com as mãos, tapinhas com as mãos e palmas. Conforme mostrado na Fig. 5a e no arquivo Adicional 2:vídeo 1 nas Informações de Apoio, o uso contínuo do mouse produz um V _oc de 2,45 V. Em seguida, ao deslizar e enviar mensagens de texto no celular (Fig. 5b e Arquivo adicional 3:Vídeo 2), o resultado mostra que um V _oc de 2,46 V foi obtido. Posteriormente, como mostram as Fig. 5c e 5d (Arquivos adicionais 4, 5:Vídeo 3 e 4), pernas batendo com as mãos e batendo com as mãos produzem V _oc de 9,30 V e 18,68 V, respectivamente. E então, a partir da Fig. 5e e do Arquivo Adicional 6:Vídeo 5, verifica-se que as pernas do toque de mão produzem um V _oc de 18,72 V. Finalmente, na Fig. 5f (Arquivo adicional 7:Vídeo 6), um V _oc de 27,61 V é gerado por palmas. Resumindo, aparentemente o AM-TENG tem um enorme potencial de aplicação em aplicações portáteis.

V _oc sinais de AM-TENG em diferentes estados de movimento. a Usando o mouse, b Mensagens de texto, c Digitando, d Batidas de mão, e Batidas manuais, f Batendo palmas

Conclusão

Em resumo, o TENG de alto desempenho baseado em películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas com abundante grupo -F através do empilhamento camada por camada foi fabricado com sucesso. O Nb ₂ introduzido CT _x as camadas intermediárias não só prometem a microestrutura intrínseca uniforme dos filmes compostos e fornecem mais nanocanais para grupos -F eficazes, mas também aumentam a constante dielétrica. Quando a quantidade do Nb ₂ CT _x aumenta para 15% em peso, o TENG baseado em filmes de nanofolhas compostas MXene de camadas alternativas atinge a saída máxima. A densidade de corrente de curto-circuito e tensão de 8,06 μA / cm ² e 34,63 V são 8,4 vezes e 3,5 vezes maiores que o Ti ₃ puro C ₂ T _x filme e 4,3 vezes e 3,3 vezes maior que o filme comercial de poli (tetrafluoroetileno) (PTFE). Além disso, o TENG fabricado pode ser conectado ao corpo humano para coletar energia de movimentos humanos simples, como digitar, enviar mensagens de texto e bater palmas. Os resultados demonstram que as películas de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas através do empilhamento de camada por camada podem possuir um desempenho notável triboelétrico, que enriquece a família de materiais triboelétricos e fornece uma nova escolha para TENG de alto rendimento.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados estão totalmente disponíveis sem restrição.

Abreviações

TENG:

Nanogerador triboelétrico

F:

Grupos de flúor

PTFE:

Poli (tetrafluoroetileno)

2D:

Bidimensional

AM-TENG:

TENG baseado em filmes de nanofolhas compostas de MXene em camadas alternativas

XRD:

Difratômetro de raios x

SEM:

Microscópio eletrônico de varredura

EDS:

Espectroscópio de raios-X de dispersão de energia

I-PrA:

Isopropilamina

V _oc :

Voltagem de circuito aberto

I _sc :

Densidade de corrente de curto-circuito

Q _sc :

Densidade de carga transferida

Nanodiamonds emissores de verde de alta qualidade fabricados por sinterização HPHT de diamantes em onda de choque policristalinos Modulador de eletroabsorção de infravermelho médio independente de polarização com base em grafeno integrado em um guia de onda de vidro de calcogeneto