Fortschrittlicher MXene-Kompositfilm-TENG erreicht überlegene elektrische Ausgabe

Zusammenfassung

Die Ausgangsleistung des triboelektrischen Nanogenerators (TENG) hängt stark von der Leistung der triboelektrischen Materialien ab, insbesondere von deren Mikrostrukturen und Funktionsgruppen. In dieser Arbeit werden, um die exzellente triboelektrische Fähigkeit anzustreben, alternierend geschichtete MXene-Kompositfilme-basierte TENGs mit reichlich Fluor-Gruppen (–F) durch Schicht-für-Schicht-Stapeln entworfen und gefertigt. Durch die gleichmäßige intrinsische Mikrostruktur und den erhöhten Dielektrizitätskonstanten erreicht der TENG, basierend auf Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x Komposit-Nanoschicht-Filmen, die maximale Ausgabe, wenn der Anteil der Nb₂CT_x-Nanoschichten auf 15 Gew.-% steigt. Die Kurzschlussstromdichte von 8,06 µA/cm² und die Spannung von 34,63 V sind 8,4-fach bzw. 3,5-fach höher als die von reinen Ti₃C₂T_x-Filmen und 3,3-fach bzw. 4,3-fach höher als die von kommerziellen Poly(tetrafluorethylen) (PTFE)-Filmen. Darüber hinaus konnte der gefertigte TENG am menschlichen Körper befestigt werden, um Energie aus menschlichen Bewegungen wie Tippen, Texten und Händeklatschen zu ernten. Die Ergebnisse zeigen, dass die alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme durch Schicht-für-Schicht-Stapeln bemerkenswerte triboelektrische Leistung besitzen, was die Auswahl negativer triboelektrischer Materialien erweitert und eine neue Wahl für hohe TENG-Ausgangsleistung bietet.

Einleitung

Da die globale Temperatur weiter steigt, ist die Entwicklung grüner Energieernte-Technologien dringend. TENG, basierend auf dem Kopplungseffekt von Kontaktelektrifizierung und elektrostatischer Induktion, wird als leistungsstarke Technologie betrachtet, die Umgebungsmechanische Energie effektiv in elektrische Energie umwandelt [1–3]. Bisher wurden verschiedene TENG-Typen aufgrund der Vorteile geringes Gewicht, einfache Herstellung, vielfältige Materialauswahl und hohe Energieumwandlungseffizienz breit untersucht [4–6]. Obwohl Theorien und Experimente verifiziert haben, dass die TENG-Leistung durch Optimierung triboelektrischer Materialien verbessert werden kann, bleibt die Fertigung von TENGs mit hoher Ausgangsleistung eine bedeutende Herausforderung. Mehrere frühere Studien zeigen, dass spezielle Funktionsgruppen (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) die Fähigkeit triboelektrischer Materialien beeinflussen können, Elektronen zu gewinnen oder zu verlieren, und somit die Kontakt-Triboelektrifizierungsleistung von TENG effektiv modulieren [10].

MXene, als neue Familie zweidimensionaler (2D) Nanomaterialien, ist ein neuartiger Typ geschichteter Übergangsmetallkarbide oder -nitride, der durch selektives Ätzen von „A“-Elementen aus seiner MAX-Phasen-Vorstufe synthetisiert werden kann [11]. Die allgemeine Formel von MXenen lautet M_n+1X_nT_x, wobei M, X und T_x Übergangsmetalle (wie Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb), C oder N (n = 1, 2 oder 3) und verschiedene Oberflächenendgruppen (–F, –OH, =O) darstellen [12–14]. Die –F-Gruppen besitzen die stärkste elektronenanziehende Fähigkeit, während eine höhere Dichte der –F-Gruppe zu intensiverer Ladungsdichte führt [15]. Die Erhöhung des nanoskaligen Zwischenschichtabstands zwischen den alternierend geschichteten MXene-Nanoschichten wird die Kanäle für –F-Gruppen effektiv vergrößern, was förderlich für den Fluss weiterer –F-Gruppen zwischen den Kompositfilm-Nanoschichten ist. Daher werden MXene als ideale negative triboelektrische Materialien für TENGs erwartet [16–18]. Es wurde über einen komplett elektrogesponnenen Poly(vinylalkohol)/Ti₃C₂T_x Nanofaser-basierten flexiblen TENG berichtet, dass die Einbindung von Ti₃C₂T_x die dielektrische Eigenschaft signifikant verbessert und somit die triboelektrische Ausgangsleistung steigert [19]. Gleichzeitig präsentieren Wang et al. Polydimethylsiloxan-Nanokomposite mit dreidimensional vernetzten Ti₃C₂T_x als negatives triboelektrisches Material, das durch unidirektionales Gefriertrocknen und vakuumunterstützte Imprägniermethoden hergestellt werden kann [20]. Cao et al. berichten über einen hochflexiblen und leistungsstarken wasserdichten TENG basierend auf einem neuartigen Gewebe Ti₃C₂T_x/Ecoflex-Nanokomposit für universelle Energieernte aus verschiedenen menschlichen Bewegungen [21].

Allerdings wird die Leistung von MXene, wie bei vielen anderen 2D-Materialien, durch seine Aggregation behindert [22], was zu begrenzten Nanochannels für –F-Gruppen führt [23]. Um ihre elektrochemischen Eigenschaften voll auszunutzen, wurden Ti₃C₂T_x-Nanoschichten mit poröser Struktur und Zwischenschichtabstandhaltern berichtet [24]. Die Einführung von Zwischenschichtabstandhaltern [25–27] (wie Graphen [28], Polymer [29, 30], Graphenoxid [31] und Metalloxid-Nanopartikel [32]) in MXene hat die Ausgangsleistung von TENG ebenfalls signifikant verbessert.

Hier wird eine geschichtete Stapelstruktur verwendet, um alternierend geschichtete MXene-Kompositfilme mit reichlich –F-Gruppen und gleichmäßiger intrinsischer Mikrostruktur zu entwerfen und zu fertigen. Nb₂CT_x-Nanoschichten werden als Abstandhalter aufgrund ihrer höheren Elektronegativität als kohlenstoffbasierte Nanomaterialien gewählt, und Ti₃C₂T_x dient als Basismaterial aufgrund seiner hohen Elektronegativität. Die präparierten alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme können die Selbst-Neustapelung von Ti₃C₂T_x-Nanoschichten effektiv reduzieren und den Zwischenschichtabstand zwischen Ti₃C₂T_x-Nanoschichten erhöhen, was effektivere Nanochannels für –F-Gruppen bereitstellt. Es wurde festgestellt, dass ein solcher alternierend geschichteter MXene-Komposit-Nanoschichtfilm-basierter TENG (AM-TENG) die beste Leistung mit einem Gewichtsverhältnis von 15 % Nb₂CT_x erreicht. Die maximale Ausgangsstromdichte und Spannung betragen 8,06 µA/cm² bzw. 34,63 V, was 8,4-fach bzw. 3,5-fach über dem reinen Ti₃C₂T_x-Film und 4,1-fach bzw. 4,2-fach über dem kommerziellen PTFE-Film liegt. Zusätzlich wird die Energieernte-Fähigkeit des alternierend geschichteten MXene-Kompositfilm-basierten TENG durch Kondensatoraufladung demonstriert. Diese Arbeit demonstriert einen neuen Typ triboelektrischen Materials für hocheffiziente grüne Energieernte.

Methoden

Materialien

Alle verwendeten Chemikalien wurden nicht weiter gereinigt. Ti₃AlC₂ und Nb₂AlC Pulver wurden von Shandong Xiyan New Materials Technology Co., Ltd. bezogen. Isopropylamin wurde von Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD. bereitgestellt.

Präparation

Zunächst wurden 1,6 g LiF (Aladdin) in 20 ml Salzsäure (Sigma, 9 M) Lösung gelöst. Dann wurde 1,0 g Ti₃AlC₂ langsam (innerhalb von 10 min) unter kontinuierlichem Rühren der obigen Mischung zugegeben. Anschließend lief die Reaktion einen Tag bei 35 °C weiter. Drittens wurde die präparierte Suspension mehrmals mit deionisiertem Wasser gewaschen, bis ihr pH 6 erreichte. Schließlich wurde die homogene Ti₃C₂T_x Lösung unter Eisbad 1 h soniziert und weitere 1 h bei 3500 rpm zentrifugiert. Insgesamt 1 g Nb₂AlC Pulver wurde schrittweise (innerhalb von 5 min) in 10 ml 50 Gew.-% Fluorwasserstoffsäure-Lösung gegeben. Dann wurde die Lösung zwei Tage bei 35 °C ständig gerührt, um die Al-Schicht aus Nb₂AlC zu ätzen. Nach Zentrifugation und mehrfachem Waschen mit deionisiertem Wasser wurden die gesammelten Sedimente mit pH über 6 in 10 ml Isopropylamin-Lösung für einen Tag bei Raumtemperatur zur weiteren Interkalation dispersiert. Nach Zentrifugation wurde der nasse Sediment in 100 ml deionisiertes Wasser dispersiert. Schließlich wurde nach einem 1 h Zentrifugationsschritt bei 3500 rpm die homogene Nb₂CT_x Lösung erhalten.

TENG-Fertigung

Der TENG, der im Kontakt-Trennmodus arbeitet, wurde gefertigt. Zunächst 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 auf der Cu-Folie befestigt war, als Reibungsschicht verwendet. Anschließend wurde der andere Gegenpart mit dem alternierend geschichteten MXene-Kompositfilm als Reibungsschicht nach denselben Schritten gefertigt. Im Vergleich zum PTFE-TENG besteht der einzige Unterschied in der Verwendung des alternierend geschichteten MXene-Kompositfilms anstelle kommerzieller PTFE-Filme. Die Leerlauf-Ausgangsspannung, Kurzschlussstrom und Transferladung der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme wurden mit Keithley 6517B Elektrometern gemessen. Ein Linearantrieb (Linmot E1100) wurde verwendet, um einen externen periodischen Trigger bei 2 Hz Frequenz bereitzustellen.

Materialcharakterisierung

Die Kristallstruktur wurde mit einem Pulver-Röntgendiffraktometer (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2θ Bereich 5° bis 60°) mit Cu Kα-Strahlung charakterisiert. Die Morphologie der Nanoschichten wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM, Hitachi SU8010) bestätigt, und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) Mapping wurde am selben Instrument (IXRF SYSTEMS) durchgeführt. Raman (LABRAM HR EVOLUTION) Spektren 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 erfasst. Ein LCR-Meter (Hioki, IM 3536) wurde verwendet, um die Dielektrizitätskonstante der Nanoschichten zu bewerten.

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 1 zeigt eine schematische Illustration des schrittweisen Fertigungsprozesses der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme. Einige Lagen Ti₃C₂T_x MXene wurden durch Ätzen der Vorläufer Ti₃AlC₂ mit HCl/LiF-Lösung [33] präpariert und unter Eisbad soniziert (Abb. 1 I). Gemäß Abb. 1 II wurden die Al-Atomlagen durch HF aus der Nb₂AlC MAX-Phase [27, 34–36] geätzt. Isopropylamin (I-PrA) Lösung wurde zwischen mehrlagige Nb₂CT_x interkaliert, um den Zwischenschichtabstand zu vergrößern, gefolgt von manuellem Schütteln, um Nb₂CT_x in wenige-Lagen-Nanoschichten zu delaminieren [27]. In den erhaltenen Ti₃C₂T_x Nanoschichten waren Titanatome in einer dichtgepackten Struktur angeordnet, Kohlenstoffatome füllten die oktaedrischen Interstitialplätze, und T_x (–F, –OH, =O) befanden sich auf der Oberfläche der äußeren Ti-Lage, was eine geschichtete Sandwichstruktur bildet. Ähnlich füllten bei Nb₂CT_x Niobatome die oktaedrischen Vertexpositionen und formten eine geschichtete ABAB-Struktur. Der beobachtete Tyndall-Streuungseffekt in Abb. 1 spiegelt wider, dass sowohl die Ti₃C₂T_x-Lösung als auch die Nb₂CT_x-Lösung exzellente Stabilität und Dispergierbarkeit aufwiesen, was die Gleichmäßigkeit jeder Lage versprach. Schließlich wurden die alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme durch ABAB-Stapeln unter Vakuumfiltration konstruiert (Zusatzdatei 1: Abbildung S1).

Die Charakterisierungen der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme sind in Abbildung 2 dargestellt. Durch Ätzen der Al-Atomschichtung aus Ti₃AlC₂ drücken die erhaltenen wenigen-Lagen Ti₃C₂T_x eine typische geschichtete Struktur aus, die genau wie typische MXene ist, wie in Abb. 2a angegeben. Wie in Abb. 2b–f gezeigt, weisen die Gewichtsverhältnisse der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme von 5 %, 10 %, 15 %, 20 % und 25 % eine lockere, mehrlagige Struktur auf. Zudem erhöht sich der nanoskalige Zwischenschichtabstand zwischen den Nanoschichten der Kompositfilme allmählich, wenn der Nb₂CT_x-Gehalt von 5 auf 10 Gew.-% steigt. Von 15 auf 25 Gew.-% ändert sich der nanoskalige Zwischenschichtabstand zwischen den Nanoschichten in den Kompositfilmen nicht mehr stark. Damit sind die delaminierten Ti₃C₂T_x-Nanoschichten und alternierend geschichteten MXene-Nanoschichten erfolgreich präpariert. Um den homogenen Mischungsgrad der Nb₂CT_x-Nanoschichten in den alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen zu erklären, wurden energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) Mapping-Bilder des Querschnitts aufgenommen. Nb, Ti, O und F Elemente werden über den gescannten Bereich detektiert, wie in Abb. 2h (und Zusatzdatei 1: Abbildung S2) gezeigt. Man kann beobachten, dass Nb- und Ti-Elemente eine gleichmäßige Verteilung in den Kompositfilmen aufweisen, was zeigt, dass Ti₃C₂T_x und Nb₂CT_x Nanoschichten einheitlich gestapelt sind. Um die Materialphasen und die Änderung des Zwischenschichtabstands zwischen Ti₃C₂T_x und Nb₂CT_x Nanoschichten weiter zu analysieren, wurden Röntgendiffraktometer (XRD)-Messungen an reinem Ti₃C₂T_x und alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen durchgeführt. Wie in Zusatzdatei 1: Abbildung S4a detailliert, präsentiert der gefertigte reine Ti₃C₂T_x-Film nach selektivem Ätzen und Delaminieren einen starken (002)-Beugungspeak bei 7,15°, was mit zuvor berichteten Ergebnissen konsistent ist [11, 33, 37]. Wie in Zusatzdatei 1: Abbildung S4b gezeigt, verschiebt sich der (002)-Beugungspeak von 12,86° für Nb₂AlC MAX auf 7,05° für Nb₂CT_x-Film aufgrund der vollständigen Ätzung der Al-Atomlagen [27]. Die XPS-Ergebnisse sind in Zusatzdatei 1: Abbildung S3 dargestellt. Das F 1s Spektrum des alternierend geschichteten MXene in Abb. S3b kann in zwei Peaks bei 684,72 und 686,45 eV dekonvolutiert werden, die Ti-F und Al-F darstellen [15, 16]. Die XRD-Ergebnisse sind auch in Abb. 2j aufgelistet. Der Vergleich zwischen dem reinen Ti₃C₂T_x-Film und dem 5 Gew.-% alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilm zeigt, dass die Intensität des Beugungspeaks (002) offensichtlich abnimmt, was die Einführung von Nb₂CT_x-Nanoschichten anzeigt. Mit zunehmendem Nb₂CT_x-Gehalt von 10 auf 15 Gew.-% verringern sich die Änderungen des Beugungswinkels allmählich, was bedeutet, dass der Zwischenschichtabstand der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme aufgrund der Wechselwirkung zwischen Nb₂CT_x-Nanoschichten und Ti₃C₂T_x-Nanoschichten allmählich zunimmt. Allerdings erhöht sich der Beugungswinkel mit weiterem Anstieg des Nb₂CT_x-Gehalts von 20 auf 25 Gew.-% allmählich von 0,6170 auf 0,7536 nm (in Zusatzdatei 1: Tabelle S1). Die Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der Einführung übermäßiger Nb₂CT_x-Nanoschichten diese sich mit Ti₃C₂T_x-Nanoschichten auftürmen und der Zwischenschichtabstand der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme reduziert wird (von 0,7530 auf 0,7371 nm). Die XRD-Ergebnisse stimmen mit den SEM-Ergebnissen überein. Um die Zusammensetzung der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme weiter zu bestätigen, wurde auch eine Raman-Analyse durchgeführt. Abbildung 2k zeigt die Raman-Spektren von Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x und alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen mit unterschiedlichen Nb₂CT_x-Gehalten. Die Proben veranschaulichen die erwarteten Schwingungsmoden für Ti₃C₂T_x (Abb. 2k). Peaks bei 157, 254, 423 und 615 cm⁻¹ werden den E_g Schwingungsmoden der Out-of-Plane-Schwingungen von Ti- und C-Atomen in den alternierend geschichteten MXene-Kompositfilmen zugeordnet. Der Peak bei 197 cm⁻¹ wird den A_g Schwingungsmoden der In-Plane Ti-, C- und Oberflächenfunktionsgruppen-Atome zugeschrieben [38]. Im Vergleich zum reinen Ti₃C₂T_x-Film haben sich Intensität und Halbwertsbreite des E_g Peaks der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme geändert, was anzeigt, dass In-Plane Ti- und C-Schwingungen, Oberflächengruppen und Zwischenschichtabstand alle geändert haben [39], was auf die Reaktion zwischen Nb₂CT_x-Nanoschichten und Ti₃C₂T_x-Nanoschichten zurückgeführt werden könnte.

Abbildung 3a zeigt den Arbeitsmechanismus des AM-TENG, der Kontakt-Triboelektrifizierung und elektrostatische Induktionen enthält [40]. Der AM-TENG arbeitet im Kontakt-Trennmodus, wobei der obere Nylonfilm und der untere alternierend geschichtete MXene-Komposit-Nanoschichtfilm als positive und negative dielektrische Schichten fungieren. Die zwischen den beiden Reibungsoberflächen erzeugten elektrischen Ladungen bauen ein elektrisches Feld auf. Die Distanzänderung erzeugt ein veränderliches elektrisches Feld, gefolgt von einem Verschiebungsstrom zwischen den beiden Elektroden des externen Stromkreises. Folglich ziehen Elektronen während der periodischen Berührung und Trennung hin und her, wodurch Wechselstrom durch den externen Stromkreis erzeugt wird. Um die Rolle von Nb₂CT_x zu bewerten, wurde die elektrische Ausgabe des AM-TENG mit Nb₂CT_x-Gewichtsverhältnis von 0 bis 25 % durchgeführt, einschließlich Leerlaufspannung (V_oc), Kurzschlussstromdichte (I_sc) und übertragener Ladungsdichte (Q_sc). TENG basierend auf alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen mit gleicher Dicke wurde unter gleichen Bedingungen gemessen, wie in Abb. 3b–d gezeigt. Offensichtlich ist zu sehen, dass I_sc Dichte, V_oc und Q_sc des 15 Gew.-% AM-TENG gleichzeitig bemerkenswert im Vergleich zum reinen Ti₃C₂T_x-Film gestiegen sind. Wenn die Menge an Nb₂CT_x auf 15 Gew.-% steigt, nehmen die erzeugten Ausgabe I_sc Dichte, V_oc und Q_sc des AM-TENG allmählich auf 8,06 µA/cm², 34,63 V und 11,19 nC zu, was 8,4-fach, 3,5-fach und 3,6-fach über dem reinen Ti₃C₂T_x-Film (0,96 µA/cm², 9,94 V und 3,08 nC) liegt, wie in Abb. 3a und b beschrieben. Wenn jedoch das Gewichtsmaß von Nb₂CT_x weiter von 15 auf 25 % steigt, sinken I_sc Dichte, V_oc und Q_sc auf 1,97 µA/cm², 19,74 V und 5,30 nC. Zusatzdatei 1: Abbildung S5 fasst den Variationstrend von I_sc Dichte, V_oc und Q_sc mit demgradienten Anstieg des Nb₂CT_x Gewichtsverhältnisses zusammen.

Für den Kontakt-Trennmodus des AM-TENG ist die Dielektrizitätskonstante ein wichtiger Parameter zur Bestimmung der Ausgangsleistung. Daher wurde die Dielektrizitätskonstante der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme durch ein komplexes Permittivitätsmodell im Frequenzbereich von 0,1 bis 1000 MHz charakterisiert. Dann ist die Dielektrizitätskonstante von Ti₃C₂T_x und alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen mit unterschiedlichen Nb₂CT_x Konzentrationen und Frequenzen in Abb. 3e gezeigt. Aus Abb. 3e ist ersichtlich, dass mit zunehmendem Dotierungsverhältnis von 0 auf 15 Gew.-% die Dielektrizitätskonstante von 0,02 auf 0,04 ansteigt. Mit weiterem Anstieg des Gewichtsverhältnisses bis 25 Gew.-% sinkt die Dielektrizitätskonstante von 0,03 auf 0,02. Die Dielektrizitätskonstante des alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilms ist höher als die des reinen Ti₃C₂T_x-Films aufgrund der Bildung des Mikrokondensator-Grenzflächennetzwerks [21]. Bei höheren Konzentrationen aggregieren die leitfähigen Pfade zwischen Ti₃C₂T_x und Nb₂CT_x wahrscheinlich, bilden ein leitfähiges Netzwerk und zerstören damit die dielektrischen Eigenschaften des alternierend geschichteten MXene-Films. Daher kann Stromleckage zu einem Rückgang der Ausgangsleistung führen [41]. Die Ergebnisse zeigen, dass die maximale Dielektrizitätskonstante mit einer 15 Gew.-% Nb₂CT_x Konzentration erzielt wird, was gut mit den elektrischen Ergebnissen in Abb. 3b-d übereinstimmt. Mit anderen Worten: Mit steigender Dielektrizitätskonstante verbessert der Nb₂CT_x Gehalt die triboelektrische Leistung weiter.

Um die theoretische Beziehung zwischen der AM-TENG-Ausgabe und der Füllstoffkonzentration weiter zu klären, kann TENG zu einem Plattenkondensatormodell in Zusatzdatei 1: Abbildung S6 reduziert werden. Die elektrische Feldstärke im Luftspalt und Dielektrikum wird gegeben durch [42]:

Innerhalb Dielektrikum 1

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

Innerhalb Dielektrikum 2

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

Innerhalb Luftspalt

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

σ_c ist die Oberflächenladungsdichte. Die Distanz (x) der beiden triboelektrischen Schichten variiert mit mechanischer Kraft, und σ_I(x, t) sind die übertragenen freien Elektronen in der Elektrode. ε_o ist die Vakuumpermittivität, und d₁ und d₂ sind die Dicken des Dielektrikums. ε_r1 und ε_r2 sind die relativen Dielektrizitätskonstanten von Dielektrikum 1 bzw. Dielektrikum 2.

Die Spannung zwischen den beiden Elektroden kann gegeben werden durch

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

Unter Kurzschlussbedingungen und V = 0

$$\sigma_{I} (x,t) = \frac{{x\sigma_{c} }}{{\frac{{\varepsilon_{o} d_{1} }}{{\varepsilon_{r1} }} + \frac{{\varepsilon_{o} d_{1} }}{{\varepsilon_{r1} }} + x}}$$ (5)

Gleichung (5) zeigt, dass die Transferladungsdichte σ_I mit einer Zunahme der triboelektrischen Ladungsdichte σ_c auf der Dielektrikumsoberfläche und der Permittivität des Dielektrikums ε_r1 und ε_r2 zunimmt. Gemäß der Formel steigt die elektrische Ausgabe mit zunehmender Dielektrizitätskonstante des Dielektrikumsmaterials, was die experimentellen Ergebnisse in Abb. 3 fest unterstützt.

Um die Reibungseigenschaften der alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme weiter abzuschätzen, wurde ein kommerzieller PTFE-Film mit derselben –F-Funktionsgruppe verglichen. Unter gleichen Testbedingungen, wie in Abb. 4a–c gezeigt, sind der I_pp-sc von 8,65 µA/cm², V_oc von 37,63 V und Q_sc von 13,24 nC jeweils 4,3-fach, 3,3-fach und 3,0-fach über dem kommerziellen PTFE-Film. Dies veranschaulicht, dass der alternierend geschichtete MXene-Komposit-Nanoschichtfilm ein vielversprechendes triboelektrisches Material ist. Abbildung 4d zeigt die Stromdichte und Spannung basierend auf alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen mit 15 Gew.-% Nb₂CT_x als Funktion des externen Lastwiderstands von 0,01 bis 80 MΩ. Offensichtlich nimmt die Kurzschlussstromdichte mit zunehmendem angeschlossenem externem Widerstand ab, während V_oc einem steigenden Trend folgt. Die momentane Leistung des TENG wird durch Berechnung der gemessenen Lastspannung und Stromdichte mit den Widerständen erhalten. Die entsprechende Spitzenleistung des TENG beträgt etwa 0,10 mW/cm² unter einem Lastwiderstand von 5 MΩ (Abb. 4e). Wir untersuchten auch die praktische Anwendung des TENG sowohl als Energieernter als auch als Stromversorgung. Nach Gleichrichtung betrugen die Spannungen, die durch Aufladen von 1,0 µF, 2,2 µF, 3,3 µF, 4,7 µF und 10,0 µF Kondensatoren für 180 s gespeichert werden können, 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V und 0,22 V (Abb. 4f).

Darüber hinaus kann der AM-TENG mechanische Energie aus einfachen menschlichen Bewegungen ernten und in elektrische Signale umwandeln. Die V_oc des Geräts unter verschiedenen menschlichen Bewegungen wie Mausbenutzung, Texten, Tippen, Handschlagen, Handklopfen und Händeklatschen wurde aufgezeichnet. Wie in Abb. 5a und Zusatzdatei 2: Video 1 in den unterstützenden Informationen gezeigt, erzeugt kontinuierliche Mausbenutzung eine V_oc von 2,45 V. Anschließend ergab das Wischen und Texten auf dem Mobiltelefon (Abb. 5b und Zusatzdatei 3: Video 2) eine V_oc von 2,46 V. Daraufhin zeigen Abb. 5c und 5d (Zusatzdateien 4, 5: Video 3 und 4), dass Handschlagen auf die Beine und Handklopfen auf die Beine V_oc von 9,30 V bzw. 18,68 V erzeugen. Und dann verifiziert Abb. 5e und Zusatzdatei 6: Video 5, dass Handklopfen auf die Beine eine V_oc von 18,72 V ergibt. Schließlich erzeugt in Abb. 5f (Zusatzdatei 7: Video 6) Händeklatschen eine V_oc von 27,61 V. Zusammenfassend wird deutlich, dass der AM-TENG großes Anwendungspotenzial in tragbaren Anwendungen besitzt.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurde ein leistungsstarker TENG basierend auf alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen mit reichlich –F-Gruppen durch Schicht-für-Schicht-Stapeln erfolgreich gefertigt. Die eingeführten Nb₂CT_x Zwischenschichten gewährleisten nicht nur die gleichmäßige intrinsische Mikrostruktur der Kompositfilme und bieten mehr Nanochannels für effektive –F-Gruppen, sondern erhöhen auch die Dielektrizitätskonstante. Wenn der Anteil von Nb₂CT_x auf 15 Gew.-% steigt, erreicht der TENG basierend auf alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilmen die maximale Ausgabe. Die Kurzschlussstromdichte und Spannung von 8,06 µA/cm² und 34,63 V sind 8,4-fach bzw. 3,5-fach über dem reinen Ti₃C₂T_x-Film und 4,3-fach bzw. 3,3-fach über dem kommerziellen Poly(tetrafluorethylen)(PTFE)-Film. Zusätzlich kann der gefertigte TENG am menschlichen Körper befestigt werden, um Energie aus einfachen menschlichen Bewegungen wie Tippen, Texten und Händeklatschen zu ernten. Die Ergebnisse demonstrieren, dass die alternierend geschichteten MXene-Komposit-Nanoschichtfilme durch Schicht-für-Schicht-Stapeln bemerkenswerte triboelektrische Leistung besitzen, was die triboelektrische Materialfamilie bereichert und eine neue Wahl für hohe TENG-Ausgangsleistung bietet.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind uneingeschränkt vollständig verfügbar.

Abkürzungen

TENG:

Triboelektrischer Nanogenerator

F:

Fluor-Gruppen

PTFE:

Poly(tetrafluorethylen)

2D:

Zweidimensional

AM-TENG:

Alternierend geschichteter MXene-Komposit-Nanoschichtfilm-basierter TENG

XRD:

Röntgendiffraktometer

SEM:

Rasterelektronenmikroskop

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

I-PrA:

Isopropylamin

V_oc:

Leerlaufspannung

I_sc:

Kurzschlussstromdichte

Q_sc:

Übertragene Ladungsdichte