Filme Compósito MXene Avançado para TENG Alcança Saída Elétrica Superior

Resumo

A potência de saída do nanogerador triboelétrico (TENG) depende fortemente do desempenho de materiais triboelétricos, especialmente suas microestruturas e grupos funcionais. Neste trabalho, visando excelente capacidade triboelétrica, filmes compósitos MXene em camadas alternadas com grupos de flúor abundantes (-F) através de empilhamento camada a camada são projetados e fabricados. Beneficiando-se da microestrutura intrínseca uniforme e constante dielétrica aumentada, quando a quantidade de nanofolhas Nb₂CT_x aumenta para 15% em peso, o TENG baseado em filmes de nanofolhas compósitos Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x atinge a saída máxima. A densidade de corrente de curto-circuito de 8,06 μA/cm² e tensão de 34,63 V são 8,4 vezes e 3,5 vezes superiores à de filmes puros de Ti₃C₂T_x, e 3,3 vezes e 4,3 vezes superiores à de filmes comerciais de poli(tetrafluoroetileno) (PTFE), respectivamente. Além disso, o TENG fabricado pode ser anexado ao corpo humano para colher energia de movimentos humanos, como digitação, mensagens e aplausos. Os resultados demonstram que os filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas através de empilhamento camada a camada possuem desempenho triboelétrico notável, o que amplia a escolha de materiais triboelétricos negativos e fornece uma nova escolha para TENG de alta saída.

Introdução

À medida que a temperatura global continua a subir, o desenvolvimento de tecnologias de colheita de energia verde é urgente. TENG baseado no efeito de acoplamento de carregamento por contato e indução eletrostática é considerado uma tecnologia poderosa que converte efetivamente energia mecânica ambiente em energia elétrica. Até agora, vários tipos de TENGs têm sido amplamente investigados devido às vantagens de leveza, fabricação fácil, seleção variada de materiais e alta eficiência de conversão de energia. Embora teorias e experimentos tenham verificado que o desempenho do TENG poderia ser melhorado otimizando 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, –NH₂, –CH₃) poderiam afetar a capacidade dos materiais triboelétricos de ganhar ou perder elétrons e assim modular efetivamente o desempenho de triboeletrificação de contato do TENG.

O MXene, como uma nova família de nanomateriais bidimensionais (2D), é um novo tipo de carbetos ou nitretos de metais de transição em camadas que poderiam ser sintetizados por seletivamente gravar elementos "A" de sua fase precursora MAX. A fórmula geral dos MXenes é M_n+1X_nT_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 terminais de superfície (–F, –OH, = O), respectivamente. Os grupos -F possuem a maior capacidade de retirada de elétrons, enquanto a maior densidade do grupo -F resulta em densidade de carga mais intensa. O aumento no espaçamento intercamadas nanoescala entre as nanofolhas MXene em camadas alternadas efetivamente aumentará o canal de grupos -F, o que é propício a mais grupos -F fluindo entre as nanofolhas do filme compósito. Portanto, MXenes são esperados como materiais triboelétricos negativos ideais para TENGs. Todos os TENGs flexíveis baseados em nanofibras de poli(álcool vinílico)/Ti₃C₂T_x eletrofidas foram relatados que a incorporação de Ti₃C₂T_x aumentou significativamente a propriedade dielétrica e assim melhorou o desempenho de saída triboelétrico. Enquanto isso, Wang et al. apresentam nanocompósitos de polidimetilsiloxano com Ti₃C₂T_x interconectados tridimensionalmente servindo como material triboelétrico negativo, que poderiam ser preparados por métodos de liofilização unidirecional e impregnação assistida a vácuo. Cao et al. relatam um TENG altamente flexível e de alto desempenho à prova d'água baseado em um novo nanocompósito de tecido Ti₃C₂T_x/Ecoflex para colheita universal de energia de vários movimentos humanos.

No entanto, como muitos outros materiais 2D, o desempenho do MXene é dificultado devido à sua agregação, o que resulta em nanocanais limitados para grupo -F. Para fazer pleno uso de suas propriedades eletroquímicas, nanofolhas Ti₃C₂T_x contendo estrutura porosa e espaçadores intercamadas foram relatadas. A introdução de espaçadores intercamadas (como grafeno, polímero, óxido de grafeno e nanopartículas de óxido metálico) no MXene também melhorou significativamente o desempenho de saída do TENG.

Aqui, estrutura de camadas empilhadas é adotada para projetar e fabricar filmes compósitos MXene em camadas alternadas com abundantes grupos -F e microestrutura intrínseca uniforme. As nanofolhas Nb₂CT_x são escolhidas como espaçador devido à sua maior eletronegatividade que materiais nanomateriais baseados em carbono, e Ti₃C₂T_x serve como material base devido à sua alta eletronegatividade. Os filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas preparados podem efetivamente reduzir o auto-empilhamento de nanofolhas Ti₃C₂T_x e aumentar o espaçamento intercamadas entre nanofolhas Ti₃C₂T_x, o que fornecerá mais nanocanais efetivos para grupos -F. Verificou-se que tais filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas baseados em TENG (AM-TENG) alcançam o melhor desempenho com a razão de peso de 15% Nb₂CT_x. A densidade de corrente de saída máxima e tensão são 8,06 μA/cm² e 34,63 V, respectivamente, que são 8,4 vezes e 3,5 vezes superiores à dos filmes puros de Ti₃C₂T_x e 4,1 vezes e 4,2 vezes superiores à dos filmes comerciais de PTFE. Além disso, a capacidade de colheita de energia de filmes compósitos MXene em camadas alternadas baseados em TENG é demonstrada através de carregamento de capacitor. Este trabalho demonstra um novo tipo de material triboelétrico para colheita de energia verde altamente eficiente.

Métodos

Materiais

Todos os produtos químicos usados não foram purificados adicionalmente. Pós de Ti₃AlC₂ e Nb₂AlC foram comprados da Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. Isopropilamina foi fornecida pela Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Preparações

Primeiramente, 1,6 g de LiF (Aladdin) foi dissolvido em 20 mL de solução de ácido clorídrico (Sigma, 9 M). Então, 1,0 g de Ti₃AlC₂ foi lentamente adicionado (dentro de 10 min) à mistura acima sob condição de agitação contínua. Depois, a reação continuou por um dia sob temperatura de 35 °C. Terceiro, a suspensão preparada foi lavada com água deionizada várias vezes até que seu pH atingiu 6. Finalmente, a solução homogênea de Ti₃C₂T_x foi sonicada sob banho de gelo por 1 h e foi centrifugada por outra 1 h a 3500 rpm. Um total de 1 g de pó Nb₂AlC foi adicionado gradualmente (dentro de 5 min) em 10 mL de solução de fluoridrico a 50% em peso. Então, a solução foi agitada constantemente por dois dias a 35 °C para gravar a camada de Al do Nb₂AlC. Após centrifugação e lavagens repetidas com água deionizada, os sedimentos coletados com pH acima de 6 foram dispersos em 10 mL de solução de isopropilamina por um dia à temperatura ambiente para intercalação adicional. Após centrifugação, o sedimento úmido foi disperso em 100 mL de água deionizada. Finalmente, após uma etapa de centrifugação de 1 h a 3500 rpm de velocidade de rotação, a solução homogênea de Nb₂CT_x foi obtida.

Fabricação do TENG

O TENG funcionando no modo contato-separação foi fabricado. Primeiro, um pedaço de folha de cobre foi fixado em uma placa de acrílico para formar um eletrodo quadrado com tamanho de 1 cm × 1 cm (comprimento × largura). Então, filme de nylon de 1 cm × 1 cm fixado na folha de Cu foi usado como camada de fricção. Subsequentemente, a outra contraparte com filme compósito MXene em camadas alternadas como camada de fricção foi fabricada de acordo com os mesmos passos. Comparado com o PTFE-TENG, a única diferença é usar filme compósito MXene em camadas alternadas em vez de filmes comerciais de PTFE. A tensão de saída de circuito aberto, corrente de curto-circuito e carga de transferência dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas foram medidos por eletroímetros Keithley 6517B. Motor linear (Linmot E1100) foi aplicado para fornecer um gatilho periódico externo na frequência de 2 Hz.

Caracterização de Materiais

A estrutura cristalina foi caracterizada por um difratômetro de raios X em pó (XRD, Ultima IV, Ciência Japonesa, faixa de 2θ de 5° a 60°) com radiação Cu Kα. A morfologia das nanofolhas foi confirmada usando microscópio eletrônico de varredura (MEV, Hitachi SU8010), e espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDS) foi realizada no mesmo instrumento (IXRF SYSTEMS). Espectros Raman (LABRAM HR EVOLUTION) foram adquiridos através de um microscópio Raman confocal com comprimento de onda de excitação de 532 nm e grade espectral de 1800 linhas/mm. Espectros foram adquiridos focando o laser através de objetivo 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 dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas. Algumas camadas de MXene Ti₃C₂T_x foram preparadas através de gravação de precursores Ti₃AlC₂ usando solução HCl/LiF e foram sonicadas sob banho de gelo (Fig. 1 I). De acordo com a Fig. 1 II, as camadas atômicas de Al foram gravadas por HF da fase MAX Nb₂AlC. Solução de isopropilamina (I-PrA) foi intercalada entre multicamadas Nb₂CT_x para aumentar o espaçamento intercamadas, seguido por agitação manual para delaminar Nb₂CT_x em nanofolhas de poucas camadas. Nas nanofolhas Ti₃C₂T_x adquiridas, átomos de titânio foram arranjados 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. Similarmente, para Nb₂CT_x, átomos de nióbio preencheram a posição de vértice octaédrico, montando uma estrutura ABAB em camadas. O efeito de espalhamento Tyndall observado na Fig. 1 reflete que tanto a solução Ti₃C₂T_x quanto a solução Nb₂CT_x tinham excelente estabilidade e dispersibilidade, o que prometeu a uniformidade de cada camada. Finalmente, os filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas foram construídos através de empilhamento ABAB sob filtração a vácuo (Arquivo Adicional 1: Figura S1).

As caracterizações dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas são apresentadas na Fig. 2. Através da gravação de estratificação de átomo Al de Ti₃AlC₂, as nanofolhas Ti₃C₂T_x de poucas camadas adquiridas expressam estrutura laminada típica, que é justamente como MXenes típicos, como indicado na Fig. 2a. Como mostrado na Fig. 2b-f, as razões de peso dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas de 5%, 10%, 15%, 20% e 25% têm uma estrutura multicamadas solta. Além disso, quando o conteúdo de Nb₂CT_x aumenta de 5 a 10% em peso, o espaçamento intercamadas nanoescala entre as nanofolhas dos filmes compósitos aumenta gradualmente. De 15 a 25% em peso, o espaçamento intercamadas nanoescala entre as nanofolhas nos filmes compósitos não tem grandes mudanças. Assim, as nanofolhas Ti₃C₂T_x delaminadas e nanofolhas MXene em camadas alternadas são preparadas com sucesso. Para explicar o grau de mistura homogênea de nanofolhas Nb₂CT_x nos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas, imagens de mapeamento de espectroscopia de raios X dispersiva em energia (EDS) da seção transversal são obtidas. Elementos Nb, Ti, O e F são detectados em toda a região escaneada, como mostrado na Fig. 2h (e Arquivo Adicional 1: Figura S2). Pode ser observado que os elementos Nb e Ti têm distribuição igual nos filmes compósitos, mostrando que nanofolhas Ti₃C₂T_x e Nb₂CT_x são empilhadas uniformemente. Para analisar ainda mais as fases do material e a mudança de espaçamento intercamadas entre nanofolhas Ti₃C₂T_x e Nb₂CT_x, medidas de difratômetro de raios X (XRD) foram realizadas em Ti₃C₂T_x puro e filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas. Conforme detalhado no Arquivo Adicional 1: Figura S4a, após gravação seletiva e delaminação, o filme Ti₃C₂T_x puro fabricado apresenta um forte pico de difração (002) a 7,15°, que é consistente com resultados previamente relatados. Como mostrado no Arquivo Adicional 1: Figura S4b, pode ser visto que o pico de difração (002) desloca de 12,86° para Nb₂AlC MAX para 7,05° para filme Nb₂CT_x devido à gravação completa de camadas atômicas de Al. Os resultados de XPS são exibidos no Arquivo Adicional 1: Figura S3. O espectro F 1s do MXene em camadas alternadas na Fig. S3b pode ser desconvulsionado em dois picos a 684,72 e 686,45 eV, representando Ti-F e Al-F, respectivamente. Os resultados de XRD também estão listados na Fig. 2j. Comparação entre o filme Ti₃C₂T_x puro e filme de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas de 5% em peso mostra que a intensidade do pico de difração (002) diminui obviamente, o que indica a introdução de nanofolhas Nb₂CT_x. À medida que os conteúdos de Nb₂CT_x aumentam de 10 a 15% em peso, mudanças no ângulo de difração diminuem gradualmente, o que significa que o espaçamento intercamadas dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas aumenta gradualmente devido à interação entre nanofolhas Nb₂CT_x e Ti₃C₂T_x. No entanto, com o conteúdo de Nb₂CT_x aumentando de 20 a 25% em peso, o ângulo de difração aumenta gradualmente de 0,6170 a 0,7536 nm (no Arquivo Adicional 1: Tabela S1). Os resultados revelam que devido à introdução de nanofolhas Nb₂CT_x excessivas, nanofolhas Nb₂CT_x e Ti₃C₂T_x se acumulam, e o espaçamento intercamadas dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas é reduzido (de 0,7530 a 0,7371 nm). Os resultados de XRD são consistentes com os resultados de MEV. Para confirmar ainda mais a composição dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas, análise Raman também foi realizada. A Figura 2k mostra os espectros Raman de Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x e filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas com diferentes conteúdos de Nb₂CT_x. As amostras ilustram os modos vibracionais esperados para Ti₃C₂T_x (Fig. 2k). Picos a 157, 254, 423 e 615 cm⁻¹ são atribuídos a modos vibracionais E_g de vibrações fora do plano de átomos Ti e C nos filmes compósitos MXene em camadas alternadas. O pico a 197 cm⁻¹ é atribuído a modos vibracionais A_g de átomos de Ti, C e grupos funcionais de superfície no plano. Comparado com o filme Ti₃C₂T_x puro, a intensidade e meia-largura do pico E_g dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas mudaram, indicando que vibrações de Ti e C no plano, grupos de superfície e espaçamento intercamadas todos mudaram, o que poderia ser atribuído à reação entre nanofolhas Nb₂CT_x e Ti₃C₂T_x.

A Figura 3a mostra o mecanismo de funcionamento do AM-TENG, que contém triboeletrificação de contato e induções eletrostáticas. O AM-TENG opera no modo contato-separação, onde o filme de nylon superior e o filme de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas inferior funcionam como camadas dielétricas positiva e negativa, respectivamente. As cargas elétricas geradas entre as duas superfícies de fricção constroem um campo elétrico. A mudança de distância cria um campo elétrico alterável, seguido por uma corrente de deslocamento entre os dois eletrodos do circuito externo. Consequentemente, à medida que o gatilho é aplicado e liberado periodicamente ao TENG, elétrons fluem para frente e para trás durante o contato e separação periódicos, gerando corrente alternada através do circuito externo. Para avaliar o papel do Nb₂CT_x, a saída elétrica do AM-TENG com a razão de peso de Nb₂CT_x variando de 0 a 25% foi realizada, incluindo tensão de circuito aberto (V_oc), densidade de corrente de curto-circuito (I_sc) e densidade de carga transferida (Q_sc). TENG baseado nos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas com a mesma espessura foi medido sob as mesmas condições, como mostrado na Fig. 3b-d. Obviamente, pode-se ver que a densidade de I_sc, V_oc e Q_sc do AM-TENG de 15% em peso aumentaram simultaneamente de forma notável comparados com os do filme Ti₃C₂T_x puro. À medida que a quantidade de Nb₂CT_x aumenta para 15% em peso, a saída gerada de densidade de I_sc, V_oc e Q_sc do AM-TENG aumentam gradualmente até 8,06 μA/cm², 34,63 V e 11,19 nC, respectivamente, que são 8,4 vezes, 3,5 vezes e 3,6 vezes superiores aos do filme Ti₃C₂T_x puro (0,96 μA/cm², 9,94 V e 3,08 nC), como descrito na Fig. 3a e b. No entanto, quando a quantidade de peso de Nb₂CT_x aumenta ainda mais de 15 a 25%, a densidade de I_sc, V_oc e Q_sc diminuem para 1,97 μA/cm², 19,74 V e 5,30 nC, respectivamente. Arquivo Adicional 1: Figura S5 resume a tendência de variação de densidade de I_sc, V_oc e Q_sc com o aumento gradual da razão de peso de Nb₂CT_x.

Para o modo contato-separação do AM-TENG, a constante dielétrica é um parâmetro importante para determinar o desempenho de saída. Portanto, a constante dielétrica dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas foi caracterizada por modelo de permitividade complexa na faixa de frequência de 0,1 a 1000 MHz. Então, a constante dielétrica do Ti₃C₂T_x e filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas com diferentes concentrações de Nb₂CT_x e frequências é mostrada na Fig. 3e. Pode-se ver 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 a 0,04. Com a razão de peso aumentando ainda mais até 25% em peso, a constante dielétrica diminui de 0,03 a 0,02. A constante dielétrica do filme de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas é maior que a do filme Ti₃C₂T_x puro devido à formação da rede interfacial de microcapacitores. Em concentrações mais altas, a condutividade entre Ti₃C₂T_x e Nb₂CT_x provavelmente agrega, formando uma rede condutiva e, portanto, destruindo as propriedades dielétricas do filme MXene em camadas alternadas. Portanto, vazamento de eletricidade pode levar a uma diminuição no desempenho de saída. Os resultados revelam que a constante dielétrica máxima é obtida com uma concentração de 15% em peso de Nb₂CT_x, que tem boa consistência com os resultados elétricos na Fig. 3b-d. Em outras palavras, com o aumento da constante dielétrica, o conteúdo de Nb₂CT_x aumentou ainda mais o desempenho triboelétrico.

Para esclarecer ainda mais a relação teórica entre a saída do AM-TENG e a concentração de preenchimento, o TENG pode ser reduzido a um modelo de capacitor de painel plano no Arquivo Adicional 1: Figura S6. A intensidade do campo elétrico no intervalo de ar e dielétrico é dada por:

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

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

Dentro do intervalo de ar: E_ar = [σ_I(x,t) - σ_c] / ε_o (3)

σ_c é densidade de carga de superfície. A distância (x) de duas camadas triboelétricas varia com força mecânica, e σ_I(x,t) é elétrons livres transferidos no eletrodo. ε_o é permitividade do vácuo, e d₁ e d₂ são a espessura do material dielétrico. ε_r1 e ε_r2 são constante dielétrica relativa do dielétrico 1 e constante dielétrica relativa do dielétrico 2, respectivamente.

A tensão entre os dois eletrodos pode ser dada por:

V = σ_I(x,t) [d₁/ε_r1 + d₂/ε_r2] + x[σ_I(x,t) - σ_c] / ε_o (4)

Sob condições de curto-circuito e V = 0:

σ_I(x,t) = xσ_c / [ε_od₁/ε_r1 + ε_od₁/ε_r1 + x] (5)

A Equação (5) mostra que a densidade de carga de transferência σ_I aumenta com o aumento da densidade de carga triboelétrica σ_c na superfície do dielétrico e a permitividade do dielétrico ε_r1 e ε_r2, respectivamente. De acordo com a fórmula, a saída elétrica aumenta à medida que a constante dielétrica do material dielétrico aumenta, o que apoia firmemente os resultados experimentais na Fig. 3.

Para estimar ainda mais as propriedades de fricção dos filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas, um filme comercial de PTFE com o mesmo grupo funcional -F foi comparado. Sob as mesmas condições de teste, como mostrado na Fig. 4a-c, o I_pp-sc de 8,65 μA/cm², V_oc de 37,63 V e Q_sc de 13,24 nC, respectivamente, são 4,3 vezes, 3,3 vezes e 3,0 vezes superiores aos do filme comercial de PTFE. Isto ilustra que o filme de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas é um material triboelétrico promissor. A Figura 4d representa a densidade de corrente, tensão baseada em filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas com 15% em peso de Nb₂CT_x como função de resistência de carga externa variando de 0,01 a 80 MΩ. Obviamente, a densidade de 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 densidade de corrente com os resistores. A potência de pico correspondente do TENG é cerca de 0,10 mW/cm² sob resistência de carga de 5 MΩ (Fig. 4e). Também exploramos a aplicação prática do TENG como tanto um colhedor de energia quanto uma fonte de alimentação. Após retificação, tensões que podem ser armazenadas carregando capacitores de 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF e 10,0 μF por 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).

Além disso, o AM-TENG pode colher energia mecânica de movimentos humanos simples e convertê-los em sinais elétricos. A V_oc do dispositivo sob diferentes movimentos humanos, como usar mouse, mensagens, digitação, bater palmas na perna, tocar perna e aplaudir, foi registrada. Como mostrado na Fig. 5a e Arquivo Adicional 2: vídeo 1 na Informação Suplementar, usar mouse continuamente produz uma V_oc de 2,45 V. Depois, ao deslizar e enviar mensagens no telefone celular (Fig. 5b e Arquivo Adicional 3: Vídeo 2), o resultado mostra que uma V_oc de 2,46 V foi obtida. Subsequentemente, como a Fig. 5c e 5d representam (Arquivos Adicionais 4, 5: Vídeo 3 e 4), bater palmas na perna e tocar perna produzem V_oc de 9,30 V e 18,68 V, respectivamente. E então, da Fig. 5e e Arquivo Adicional 6: Vídeo 5, verifica-se que tocar perna rende uma V_oc de 18,72 V. Finalmente, na Fig. 5f (Arquivo Adicional 7: Vídeo 6), uma V_oc de 27,61 V é gerada por aplaudir. Em resumo, tornou-se aparente que o AM-TENG tem enorme potencial de aplicação em aplicações portáteis.

Conclusão

Em resumo, TENG de alto desempenho baseado em filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas com abundantes grupos -F através de empilhamento camada a camada foi fabricado com sucesso. As intercamadas de Nb₂CT_x introduzidas não apenas prometem a microestrutura intrínseca uniforme dos filmes compósitos e fornecem mais nanocanais para grupos -F efetivos, mas também aumentam a constante dielétrica. Quando a quantidade de Nb₂CT_x aumenta para 15% em peso, o TENG baseado em filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas atinge a saída máxima. A densidade de corrente de curto-circuito e tensão de 8,06 μA/cm² e 34,63 V são 8,4 vezes e 3,5 vezes superiores às do filme puro de Ti₃C₂T_x e 4,3 vezes e 3,3 vezes superiores às do filme comercial de poli(tetrafluoroetileno)(PTFE). Além disso, o TENG fabricado pode ser anexado ao corpo humano para colher energia de movimentos humanos simples, como digitação, mensagens e aplausos. Os resultados demonstram que os filmes de nanofolhas compósitos MXene em camadas alternadas através de empilhamento camada a camada podem possuir desempenho triboelétrico notável, o que enriquece a família de materiais triboelétricos e fornece uma nova escolha para TENG de alta saída.