Alternativ geschichteter triboelektrischer Nanogenerator auf MXen-Verbundschichtbasis mit verbesserter elektrischer Leistung

Einführung

Da die globale Temperatur weiter ansteigt, ist die Entwicklung grüner Energiegewinnungstechnologien dringend erforderlich. TENG, das auf dem Kopplungseffekt von Kontaktladung und elektrostatischer Induktion basiert, gilt als leistungsstarke Technologie, die mechanische Umgebungsenergie effektiv in elektrische Energie umwandelt [1,2,3]. Bisher wurden verschiedene Arten von TENGs aufgrund der Vorteile des geringen Gewichts, der einfachen Herstellung, der verschiedenen Materialauswahl und der hohen Energieumwandlungseffizienz umfassend untersucht [4,5,6]. Obwohl Theorien und Experimente bestätigt haben, dass die Leistung von TENG durch die Optimierung triboelektrischer Materialien verbessert werden könnte, bleibt es dennoch eine große Herausforderung, den TENG mit hoher Ausgangsleistung herzustellen. Mehrere frühere Studien zeigen, dass einige spezielle funktionelle Gruppen (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) könnte die Fähigkeit der triboelektrischen Materialien, Elektronen aufzunehmen oder zu verlieren, beeinträchtigen und somit die Kontakttriboelektrifizierungsleistung von TENG effektiv modulieren [10].

MXene, als eine neue Familie von zweidimensionalen (2D) Nanomaterialien, ist eine neuartige Art von geschichteten Übergangsmetallcarbiden oder -nitriden, die durch selektives Ätzen von "A"-Elementen aus ihrer Vorläufer-MAX-Phase synthetisiert werden könnten [11]. Die allgemeine Formel von MXenen ist M_{n +1} X_n T_x , wobei M, X und T_x repräsentieren die Übergangsmetalle (wie Sc, Ti, Zr, Hf, V und Nb), C oder N (n = 1, 2 oder 3) bzw. verschiedene Oberflächenendgruppen (–F, –OH, = O) [12,13,14]. Die -F-Gruppen besitzen die stärkste elektronenziehende Fähigkeit, während die höhere Dichte der -F-Gruppe zu einer intensiveren Ladungsdichte führt [15]. Die Zunahme des Zwischenschichtabstands im Nanobereich zwischen den abwechselnd geschichteten MXene-Nanoblättern wird den Kanal von -F-Gruppen effektiv erhöhen, was dazu führt, dass mehr -F-Gruppen zwischen den Verbundfilm-Nanoblättern fließen. Daher werden MXene als ideale negative triboelektrische Materialien für TENGs erwartet. Daher werden MXene als ideale negative triboelektrische Materialien für TENGs erwartet [16,17,18]. Alle elektrogesponnenen Poly(vinylalkohol)/Ti₃ C₂ T_x Auf Nanofasern basierendes flexibles TENG wurde berichtet, dass der Einbau von Ti₃ C₂ T_x hat die dielektrischen Eigenschaften deutlich verbessert und damit die triboelektrische Ausgangsleistung verbessert [19]. Inzwischen haben Wang et al. präsentieren Polydimethylsiloxan-Nanokomposite mit dreidimensional miteinander verbundenen Ti₃ C₂ T_x diente als negatives triboelektrisches Material, das durch unidirektionale Gefriertrocknung und vakuumunterstützte Imprägnierverfahren hergestellt werden konnte [20]. Cao et al. berichten über ein hochflexibles und leistungsstarkes wasserdichtes TENG basierend auf einem neuartigen Gewebe Ti₃ C₂ T_x /Ecoflex-Nanokomposit für universelle Energiegewinnung aus verschiedenen menschlichen Bewegungen [21].

Wie bei vielen anderen 2D-Materialien wird jedoch die Leistung von MXene aufgrund seiner Aggregation behindert, [22] was zu begrenzten Nanokanälen für die -F-Gruppe führt [23]. Um ihre elektrochemischen Eigenschaften voll auszuschöpfen, wird Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter mit einer porösen Struktur und Zwischenlagen-Abstandshaltern wurden beschrieben [24]. Die Einführung von Zwischenschicht-Abstandshaltern [25,26,27] (wie Graphen [28], Polymer [29, 30], Graphenoxid [31] und Metalloxid-Nanopartikel [32]) in MXene hat auch die Ausgangsleistung von TENG . deutlich verbessert .

Hier wird eine Schichtstapelstruktur verwendet, um alternierend geschichtete MXene-Verbundfilme mit reichlich -F-Gruppe und einheitlicher intrinsischer Mikrostruktur zu entwerfen und herzustellen. Die Nb₂ CT_x Nanoblätter werden aufgrund ihrer höheren Elektronegativität als kohlenstoffbasierte Nanomaterialien als Abstandshalter gewählt, und Ti₃ C₂ T_x dient aufgrund seiner hohen Elektronegativität als Schüttgut. Die vorbereiteten alternierend geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilme können die Selbst-Neustapelung von Ti₃ . effektiv reduzieren C₂ T_x Nanoblätter und erhöhen den Zwischenschichtabstand zwischen Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter, die effektivere Nanokanäle für die -F-Gruppe bereitstellen. Es wurde festgestellt, dass ein solches TENG (AM-TENG) mit alternierend geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilmen die beste Leistung mit einem Gewichtsverhältnis von 15% Nb₂ . erzielt CT_x . Die maximale Ausgangsstromdichte und -spannung beträgt 8,06 μA/cm ² bzw. 34,63 V, die 8,4 bzw. 3,5 mal höher sind als die von reinem Ti₃ . C₂ T_x Folien und 4,1 mal und 4,2 mal höher als die der handelsüblichen PTFE-Filme. Darüber hinaus wird die Fähigkeit zur Energiegewinnung von TENG auf der Basis von alternierend geschichteten MXene-Verbundfolien durch das Aufladen von Kondensatoren demonstriert. Diese Arbeit demonstriert einen neuen Typ von triboelektrischem Material für eine hocheffiziente grüne Energiegewinnung.

Methoden

Materialien

Alle verwendeten Chemikalien wurden nicht weiter gereinigt. Ti₃ AlC₂ und Nb₂ AlC-Pulver wurden von Shandong Xiyan New Materials Technology Co., Ltd. bezogen. Isopropylamin wurde von Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD. bereitgestellt.

Vorbereitungen

Zunächst wurden 1,6 g LiF (Aladdin) in 20 ml Salzsäure (Sigma, 9 M) gelöst. Dann 1,0 g Ti₃ AlC₂ wurde langsam (innerhalb von 10 Minuten) der obigen Mischung unter ständigem Rühren zugesetzt. Danach wurde die Reaktion einen Tag lang bei einer Temperatur von 35 °C fortgesetzt. Drittens wurde die hergestellte Suspension mehrmals mit entionisiertem Wasser gewaschen, bis ihr pH-Wert 6 erreichte. Schließlich wurde das homogene Ti₃ C₂ T_x Die Lösung wurde 1 h unter einem Eisbad beschallt und weitere 1 h bei 3500 U/min zentrifugiert. Insgesamt 1 g Nb₂ AlC-Pulver wurde nach und nach (innerhalb von 5 Minuten) zu 10 ml einer 50 Gew.-%igen Fluorwasserstofflösung hinzugefügt. Dann wurde die Lösung zwei Tage lang bei 35 °C konstant gerührt, um die Al-Schicht von Nb₂ . zu ätzen AlC. Nach Zentrifugation und wiederholtem Waschen mit entionisiertem Wasser wurden die gesammelten Sedimente mit einem pH über 6 zur weiteren Interkalation für einen Tag bei Raumtemperatur in 10 ml Isopropylamin-Lösung dispergiert. Nach dem Zentrifugieren wurde das nasse Sediment in 100 ml entionisiertem Wasser dispergiert. Schließlich, nach einem einstündigen Zentrifugenschritt bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 3.500 U/min, wird das homogene Nb₂ CT_x Lösung wurde erhalten.

Herstellung von TENG

Der im Kontakttrennungsmodus arbeitende TENG wurde hergestellt. Zuerst wurde ein Stück Kupferfolie auf einer Acrylplatte befestigt, um eine quadratische Elektrode mit einer Größe von 1 cm  × 1 cm (Länge × Breite) zu bilden. Dann wurde ein 1 cm  ×  1 cm-Nylonfilm, der an der Cu-Folie befestigt war, als Reibungsschicht verwendet. Anschließend wurde das andere Gegenstück mit zusammengesetzter alternierend geschichteter MXene-Verbundfolie als Reibungsschicht gemäß den gleichen Schritten hergestellt. Im Vergleich zu PTFE-TENG besteht der einzige Unterschied darin, dass anstelle von handelsüblichen PTFE-Folien abwechselnd geschichtete MXene-Verbundfolien verwendet werden. Die Leerlauf-Ausgangsspannung, der Kurzschlussstrom und die Transferladung der abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilme wurden mit Keithley 6517B-Elektrometern gemessen. Linearmotor (Linmot E1100) wurde verwendet, um einen externen periodischen Trigger mit einer Frequenz von 2 Hz bereitzustellen.

Materialcharakterisierung

Die Kristallstruktur wurde mit einem Pulver-Röntgendiffraktometer (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2θ Bereich von 5° bis 60°) mit Cu-Kɑ-Strahlung. Die Morphologie der Nanoblätter wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM, Hitachi SU8010) bestätigt, und eine energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Kartierung wurde auf demselben Instrument (IXRF SYSTEMS) durchgeführt. Raman-Spektren (LABRAM HR EVOLUTION) wurden durch ein konfokales Raman-Mikroskop mit einer Anregungswellenlänge von 532 nm und einem Spektralgitter von 1800 Linien/mm aufgenommen. Spektren wurden durch Fokussieren des Lasers durch ein 50 × -Objektiv aufgenommen. Ein LCR-Meter (Hioki, IM 3536) wurde verwendet, um die Dielektrizitätskonstante der Nanoblätter zu bewerten.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung des schrittweisen Herstellungsprozesses der abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme. Einige Schichten Ti₃ C₂ T_x MXene wurden durch Ätzen von Vorläufern Ti₃ . hergestellt AlC₂ mit HCl/LiF-Lösung [33] und wurden unter Eisbad beschallt (Abb. 1 I). Gemäß Abb. 1 II wurden die Al-Atomschichten mit HF aus Nb₂ . geätzt AlC MAX-Phase [27, 34,35,36]. Isopropylamin (I-PrA)-Lösung wurde zwischen mehrschichtigem Nb₂ . eingelagert CT_x um den Zwischenschichtabstand zu vergrößern, gefolgt von manuellem Schütteln, um Nb₂ . zu delaminieren CT_x in mehrschichtige Nanoblätter [27]. Im erworbenen Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter, Titanatome wurden in einer dicht gepackten Struktur angeordnet, Kohlenstoffatome füllten die oktaedrischen Zwischengitterplätze und T_x (–F, –OH, = O) befanden sich auf der Oberfläche der äußeren Ti-Schicht, die eine geschichtete Sandwichstruktur bilden. Ebenso für Nb₂ CT_x , Niobatome füllten die oktaedrische Scheitelposition und bildeten eine geschichtete ABAB-Struktur. Der beobachtete Tyndall-Streuungseffekt in Abb. 1 spiegelt wider, dass sowohl Ti₃ C₂ T_x Lösung und Nb₂ CT_x Lösung wies eine ausgezeichnete Stabilität und Dispersität auf, was die Einheitlichkeit jeder Schicht versprach. Schließlich wurden die alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme durch ABAB-Stapeln unter Vakuumfiltration hergestellt (zusätzliche Datei 1:Abbildung S1).

Schematische Darstellung des Herstellungsprozesses von abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilmen

Die Charakterisierungen von abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilmen sind in Abb. 2 dargestellt. Durch Ätzen Al-Atomschichtung von Ti₃ AlC_2, das erworbene mehrschichtige Ti₃ C₂ T_x drückt eine typische laminierte Struktur aus, die genau wie typische MXene ist, wie in Abb. 2a angegeben. Wie in Abb. 2b–f gezeigt, weisen die Gewichtsverhältnisse von 5 %, 10 %, 15 %, 20 % und 25 % der abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme eine lockere Mehrschichtstruktur auf. Außerdem, wenn Nb₂ CT_x -Gehalt von 5 auf 10 Gew.-% zunimmt, nimmt der Zwischenschichtabstand zwischen den Nanoschichten der Verbundfolien allmählich zu. Von 15 bis 25 Gew.-% ändert sich der nanoskalige Zwischenschichtabstand zwischen den Nanoschichten in den Verbundfolien nicht stark. Somit ist das delaminierte Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter und alternierend geschichtete MXene-Nanoblätter werden erfolgreich hergestellt. Um den homogenen Mischungsgrad von Nb₂ . zu erklären CT_x Nanoblätter in den alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoblatt-Filmen, werden energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS)-Kartierungsbilder des Querschnitts erhalten. Nb-, Ti-, O- und F-Elemente werden im gesamten gescannten Bereich erkannt, wie in Abb. 2h (und zusätzliche Datei 1:Abbildung S2) gezeigt. Es kann beobachtet werden, dass die Nb- und Ti-Elemente in den Verbundfilmen gleich verteilt sind, was zeigt, dass Ti₃ C₂ T_x und Nb₂ CT_x Nanoblätter sind gleichmäßig gestapelt. Um die Materialphasen und die Änderung des Zwischenschichtabstands zwischen Ti₃ C₂ T_x und Nb₂ CT_x Nanoblätter, Röntgendiffraktometer (XRD)-Messungen wurden an reinem Ti₃ . durchgeführt C₂ T_x und alternierend geschichtete MXene-Verbund-Nanoblatt-Filme. Wie in Zusatzdatei 1 beschrieben:Abbildung S4a, nach selektivem Ätzen und Delaminieren das hergestellte reine Ti₃ C₂ T_x Der Film weist einen starken (002)-Beugungspeak bei 7,15° auf, was mit früher berichteten Ergebnissen übereinstimmt [11, 33, 37]. Wie in Zusatzdatei 1:Abbildung S4b gezeigt, ist zu sehen, dass sich der (002)-Beugungspeak von 12,86° für Nb₂ . verschiebt AlC MAX bis 7,05° für Nb₂ CT_x Film durch das vollständige Ätzen von Al-Atomschichten [27]. Die XPS-Ergebnisse werden in Zusätzliche Datei 1 angezeigt:Abbildung S3. Das F 1 s-Spektrum von alternierend geschichtetem MXen in Abb. S3b kann in zwei Peaks bei 684,72 und 686,45 eV entfaltet werden, die Ti-F bzw. Al-F darstellen. [15, 16] Die XRD-Ergebnisse sind auch in Abb. 2j aufgeführt. Vergleich zwischen reinem Ti₃ C₂ T_x Film und 5 Gew.-% alternierend geschichteter MXene-Komposit-Nanoblatt-Film zeigt, dass die Intensität des Beugungspeaks (002) offensichtlich abnimmt, was auf die Einführung von Nb₂ . hinweist CT_x Nanoblätter. Als Nb₂ CT_x der Gehalt steigt von 10 auf 15 Gew.-%, Änderungen des Beugungswinkels nehmen allmählich ab, was bedeutet, dass der Zwischenschichtabstand der abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme aufgrund der Wechselwirkung zwischen Nb₂ . allmählich zunimmt CT_x Nanoblätter und Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter. Mit dem Nb₂ CT_x von 20 auf 25 Gew. % zunimmt, nimmt der Beugungswinkel allmählich von 0,6170 auf 0,7536 nm zu (in Zusatzdatei 1:Tabelle S1). Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der Einführung von übermäßigem Nb₂ CT_x Nanoblätter, Nb₂ CT_x Nanoblätter und Ti₃ C₂ T_x Nanoblätter stapeln sich und der Zwischenschichtabstand der abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilme wird verringert (von 0,7530 auf 0,7371 nm). Die XRD-Ergebnisse stimmen mit den SEM-Ergebnissen überein. Um die Zusammensetzung alternierend geschichteter MXene-Verbund-Nanoblattfilme weiter zu bestätigen, wurde auch eine Raman-Analyse durchgeführt. Abbildung 2k zeigt die Raman-Spektren von Nb₂ CT_x , Ti₃ C₂ T_x , und alternierend geschichtete MXene-Komposit-Nanoblattfilme mit unterschiedlichen Nb₂ CT_x Inhalt. Die Beispiele veranschaulichen die erwarteten Schwingungsmoden für Ti₃ C₂ T_x (Abb. 2k). Peaks bei 157, 254, 423 und 615 cm ⁻¹ sind E . zugeordnet _g Schwingungsmoden von Schwingungen außerhalb der Ebene von Ti- und C-Atomen in den alternierend geschichteten MXene-Verbundfilmen. Der Peak bei 197 cm ⁻¹ wird A . zugeschrieben _g Schwingungsmoden der in der Ebene liegenden Ti-, C- und Oberflächenatome der funktionellen Gruppe [38]. Verglichen mit dem reinen Ti₃ C₂ T_x Film, Intensität und Halbwertsbreite des E _g Peak der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme haben sich geändert, was darauf hindeutet, dass sich Ti- und C-Vibrationen in der Ebene, Oberflächengruppen und der Zwischenschichtabstand alle verändert haben [39], was auf die Reaktion zwischen Nb_{2<. zurückgeführt werden könnte /sub> CTx Nanoblätter und Ti3 C2 Tx Nanoblätter.}

a Das typische REM-Bild des Ti₃ C₂ T_x Film. Querschnitts-REM-Aufnahme des Querschnitts von abwechselnd geschichteten MXene-Verbundfilmen mit Nb₂ CT_x Inhalt:b 5 Gew.-%, c 10 Gew.-% d 15 Gew.-%, e 20 Gew.-%, f 25 Gew.-%. h EDS-Mapping-Daten von 15 Gew.-% alternierend geschichtetem MXene-Film. j XRD-Muster der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme. k Raman-Spektren des Ti₃ C₂ T_x und alternierend geschichtete MXene-Verbund-Nanoblatt-Filme mit verschiedenen Verhältnissen

Abbildung 3a zeigt den Wirkmechanismus von AM-TENG, der Kontakttriboelektrifizierung und elektrostatische Induktionen enthält [40]. Das AM-TENG arbeitet im Kontakttrennungsmodus, bei dem der obere Nylonfilm und der untere abwechselnd geschichtete MXene-Verbund-Nanoblattfilm als positive bzw. negative dielektrische Schichten fungieren. Die zwischen den beiden Reibflächen erzeugten elektrischen Ladungen bauen ein elektrisches Feld auf. Die Abstandsänderung erzeugt ein veränderbares elektrisches Feld, gefolgt von einem Verschiebungsstrom zwischen den beiden Elektroden des äußeren Stromkreises. Folglich ziehen Elektronen während des periodischen Kontakts und der Trennung hin und her, wenn der Trigger periodisch angelegt und an den TENG abgegeben wird, wodurch Wechselstrom durch den externen Stromkreis erzeugt wird. Um die Rolle der Nb₂ zu bewerten CT_x , die elektrische Leistung von AM-TENG mit dem Nb₂ CT_x Gewichtsverhältnis von 0 bis 25 % wurde durchgeführt, einschließlich Leerlaufspannung (V _oc ), Kurzschlussstrom (I _sc ) Dichte und übertragene Ladungsdichte (Q _sc ). TENG basierend auf den abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilmen mit der gleichen Dicke wurde unter den gleichen Bedingungen gemessen, wie in Abb. 3b–d gezeigt. Offensichtlich ist zu sehen, dass ich _sc Dichte, V _oc , und Q _sc von 15 Gew.-% AM-TENG gleichzeitig deutlich erhöht im Vergleich zu dem von reinem Ti₃ C₂ T_x Film. Als Betrag von Nb₂ CT_x steigt auf 15 Gew.-%, die erzeugte Leistung I _sc Dichte, V _oc , und Q _sc des AM-TENG erhöhen sich allmählich auf 8,06 μA/cm ² , 34,63 V bzw. 11,19 nC, was 8,4 mal, 3,5 mal bzw. 3,6 mal höher ist als bei reinem Ti₃ C₂ T_x Film (0,96 μA/cm ² , 9,94 V und 3,08 nC), wie in Abb. 3a und b beschrieben. Wenn jedoch die Gewichtsmenge von Nb₂ CT_x steigt weiter von 15 auf 25 %, das I _sc Dichte, V _oc , und Q _sc auf 1,97 μA/cm ² decrease sinken , 19,74 V bzw. 5,30 nC. Zusatzdatei 1:Abbildung S5 fasst den Variationstrend von I . zusammen _sc Dichte, V _oc , und Q _sc mit dem Gradientenanstieg von Nb₂ CT_x Gewichtsverhältnis.

a Schematische Darstellung von AM-TENG im Arbeitsmodus Kontakttrennung. b V _oc , c Ich _sc Dichte und d Q _sc Signale von AM-TENG mit verschiedenen Nb₂ CT_x Inhalt bei 2 Hz. e Dielektrizitätskonstante alternierend geschichteter MXene-Komposit-Nanoblattfilme mit unterschiedlichem Nb₂ CT_x Inhalt

Für den Kontakttrennmodus des AM-TENG ist die Dielektrizitätskonstante ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der Ausgangsleistung. Daher wurde die Dielektrizitätskonstante von abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilmen durch ein komplexes Permittivitätsmodell im Frequenzbereich von 0,1 bis 1000 MHz charakterisiert. Dann wird die Dielektrizitätskonstante von Ti₃ C₂ T_x und alternierend geschichtete MXene-Verbund-Nanoblatt-Filme mit unterschiedlichen Nb₂ CT_x Konzentrationen und Häufigkeiten sind in Abb. 3e dargestellt. Aus Fig. 3e ist ersichtlich, dass die Dielektrizitätskonstante von 0,02 auf 0,04 steigt, wenn das Dotierungsverhältnis von 0 auf 15 Gew.-% steigt. Wenn das Gewichtsverhältnis weiter auf 25 Gew.-% ansteigt, sinkt die Dielektrizitätskonstante von 0,03 auf 0,02. Die Dielektrizitätskonstante des abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilms ist höher als die des reinen Ti₃ C₂ T_x Film aufgrund der Bildung des Grenzflächennetzwerks der Mikrokondensatoren [21]. Bei höheren Konzentrationen wird die Leitfähigkeit zwischen Ti₃ C₂ T_x und Nb₂ CT_x wahrscheinlich aggregiert, bildet ein leitfähiges Netzwerk und zerstört somit die dielektrischen Eigenschaften des alternierend geschichteten MXene-Films. Daher kann ein Stromverlust zu einer Verringerung der Ausgangsleistung führen [41]. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Dielektrizitätskonstante mit 15 Gew.-% Nb₂ . erreicht wird CT_x Konzentration, die gut mit den elektrischen Ergebnissen in Abb. 3b-d übereinstimmt. Mit anderen Worten, mit steigender Dielektrizitätskonstante wird Nb₂ CT_x Inhalt die triboelektrische Leistung weiter verbessert.

Um den theoretischen Zusammenhang zwischen der Ausgabe von AM-TENG und der Füllstoffkonzentration weiter zu verdeutlichen, kann TENG in Zusatzdatei 1:Abbildung S6 auf ein Flachkondensatormodell reduziert werden. Die elektrische Feldstärke im Luftspalt und Dielektrikum ist gegeben durch [42]:

Inneres Dielektrikum 1

Inneres Dielektrikum 2

Innenluftspalt

\(\upsigma_{c}\) ist die Oberflächenladungsdichte. Die Entfernung (x ) zweier triboelektrischer Schichten variiert mit mechanischer Kraft, und \(\upsigma_{I}\)(x, t) werden freie Elektronen in die Elektrode übertragen. \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{o}\) ist die Vakuumpermittivität und d ₁ und d ₂ sind die Dicke des dielektrischen Materials. \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\) und \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}\) sind die relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 1 und die relative Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 2, bzw.

Die Spannung zwischen den beiden Elektroden kann angegeben werden durch

Unter Kurzschlussbedingungen und V = 0

Gleichung (5) zeigt, dass die Transferladungsdichte \(\upsigma_{I}\) mit Zunahme der triboelektrischen Ladungsdichte \(\upsigma_{c}\) auf der dielektrischen Oberfläche und der Permittivität des Dielektrikums \( {{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\) bzw. \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\). Gemäß der Formel steigt die elektrische Leistung mit zunehmender Dielektrizitätskonstante des dielektrischen Materials, was die experimentellen Ergebnisse in Abb. 3 eindeutig unterstützt.

Um die Reibungseigenschaften der abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme weiter abzuschätzen, wurde ein kommerzieller PTFE-Film mit der gleichen funktionellen -F-Gruppe verglichen. Unter den gleichen Testbedingungen, wie in Abb. 4a–c gezeigt, ist das I _pp-sc von 8,65 μA/cm ² , V _oc von 37,63 V und Q _sc von 13,24 nC ist 4,3-mal, 3,3-mal bzw. 3,0-mal höher als die der handelsüblichen PTFE-Folie. Es zeigt, dass ein wechselschichtiger MXene-Verbund-Nanoblattfilm ein vielversprechendes triboelektrisches Material ist. Abbildung 4d zeigt die Stromdichte und Spannung basierend auf abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblatt-Filmen mit 15 Gew.-% Nb₂ CT_x als Funktion des externen Lastwiderstands von 0,01 bis 80 MΩ. Offensichtlich nimmt die Kurzschlussstromdichte mit zunehmendem angeschlossenen Außenwiderstand ab, während die V _oc folgt einem steigenden Trend. Die Momentanleistung des TENG wird durch Berechnung der gemessenen Lastspannung und Stromdichte mit den Widerständen ermittelt. Die entsprechende Spitzenleistung des TENG beträgt etwa 0,10 mW/cm ² unter einem Lastwiderstand von 5 MΩ (Abb. 4e). Wir haben auch die praktische Anwendung von TENG sowohl als Energie-Harvester als auch als Stromversorgung untersucht. Nach der Gleichrichtung können Spannungen von 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V bzw. 0,22 V durch Laden von 1,0 μF-, 2,2 μF-, 3,3 μF-, 4,7 μF- und 10,0 μF-Kondensatoren für 180 s gespeichert werden. (Abb. 4f).

Die Ausgabeleistung von AM-TENG basierend auf Verbundfolie mit 15% Nb₂ CT_x Inhalt oder handelsübliche PTFE-Folie. a V _oc , b Ich _sc Dichte und c Q _sc . d Die Ausgangsstromdichte und -spannung und e Leistungsdichte von am-TENG basierend auf Verbundfolie mit 15 Gew.-% Nb₂ CT_x Inhalt als Funktion des externen Lastwiderstands. f Analyse der Ladeleistung der abwechselnd geschichteten MXene-Verbund-Nanoblatt-Filme unter verschiedenen Kapazitätskapazitäten

Darüber hinaus kann das AM-TENG aus einfachen menschlichen Bewegungen mechanische Energie gewinnen und in elektrische Signale umwandeln. Das V _oc des Geräts unter verschiedenen menschlichen Bewegungen, wie z. B. der Verwendung von Maus, SMS, Tippen, Handschlag, Handklopfen und Handklatschen, aufgezeichnet. Wie in Abb. 5a und Zusatzdatei 2 gezeigt:Video 1 in den Hintergrundinformationen erzeugt eine kontinuierliche Verwendung der Maus ein V _oc von 2,45 V. Danach, beim Verschieben und SMSen auf dem Mobiltelefon (Abb. 5b und Zusatzdatei 3:Video 2), zeigt das Ergebnis, dass ein V _oc von 2,46 V erhalten. Anschließend, wie in Abb. 5c und 5d dargestellt (Zusatzdateien 4, 5:Video 3 und 4), erzeugen mit der Hand klatschende Beine und mit der Hand klopfende Beine V _oc von 9,30 V bzw. 18,68 V. Und dann wird anhand von Abb. 5e und zusätzlicher Datei 6:Video 5 verifiziert, dass das Klopfen der Beine mit der Hand ein V . ergibt _oc von 18,72 V. Schließlich in Abb. 5f (Zusatzdatei 7:Video 6) ein V _oc von 27,61 V wird durch Handklatschen erzeugt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der AM-TENG ein enormes Anwendungspotenzial in tragbaren Anwendungen hat.

V _oc Signale von AM-TENG unter verschiedenen Bewegungszuständen. a Mit der Maus, b SMS schreiben, c Tippen, d Handschlag, e Handklopfen, f Händeklatschen

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass hochleistungsfähiges TENG basierend auf alternierend geschichteten MXene-Verbund-Nanoblattfilmen mit reichlich -F-Gruppen durch schichtweises Stapeln erfolgreich hergestellt wurde. Das eingeführte Nb₂ CT_x Zwischenschichten versprechen nicht nur die gleichmäßige intrinsische Mikrostruktur der Verbundfilme und bieten mehr Nanokanäle für effektive -F-Gruppen, sondern erhöhen auch die Dielektrizitätskonstante. Wenn die Menge an Nb₂ CT_x auf 15 Gew.-% erhöht, erreicht der TENG basierend auf alternierend geschichteten MXene-Verbund-Nanosheet-Filmen die maximale Leistung. Die Kurzschlussstromdichte und -spannung von 8,06 μA/cm ² und 34,63 V sind das 8,4-fache und 3,5-fache des reinen Ti₃ . C₂ T_x Folie und 4,3 mal und 3,3 mal höher als die der kommerziellen Poly(tetrafluorethylen)(PTFE)-Folie. Darüber hinaus kann das fabrizierte TENG am menschlichen Körper befestigt werden, um Energie aus einfachen menschlichen Bewegungen wie Tippen, SMS und Händeklatschen zu gewinnen. Die Ergebnisse zeigen, dass die abwechselnd geschichteten MXene-Komposit-Nanoblattfilme durch schichtweises Stapeln eine bemerkenswerte triboelektrische Leistung aufweisen können, die die triboelektrische Materialfamilie bereichert und eine neue Wahl für TENG mit hoher Leistung bietet.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator

F:

Fluorgruppen

PTFE:

Poly(tetrafluorethylen)

2D:

Zweidimensional

AM-TENG:

Abwechselnd geschichtete MXene-Verbund-Nanoblatt-Filme auf Basis von TENG

XRD:

Röntgendiffraktometer

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

EDS:

Energiedispersives Röntgenspektroskop

I-PrA:

Isopropylamin

V _oc :

Leerlaufspannung

I _sc :

Kurzschlussstromdichte

Q _sc :

Übertragene Ladungsdichte