Alternate-Layered MXene Composite Film-Based Triboelectric Nanogenerator dengan Performa Listrik yang Ditingkatkan

Abstrak

Daya keluaran dari triboelectric nanogenerator (TENG) sangat bergantung pada kinerja bahan triboelectric, terutama struktur mikro dan gugus fungsi di dalamnya. Dalam karya ini, bertujuan untuk kemampuan triboelektrik yang sangat baik, TENG berbasis film komposit MXene berlapis alternatif dengan kelompok fluor yang melimpah (-F) melalui penumpukan lapis demi lapis dirancang dan dibuat. Diuntungkan dari struktur mikro intrinsik yang seragam dan konstanta dielektrik yang meningkat, ketika jumlah Nb₂ CT_x nanosheets meningkat menjadi 15% berat, TENG berdasarkan Nb₂ CT_x /Ti₃ C₂ T_x film nanosheet komposit mencapai output maksimum. Kepadatan arus hubung singkat sebesar 8,06 μA/cm² dan tegangan 34,63 V adalah 8,4 kali dan 3,5 kali lebih tinggi dari Ti₃ pure murni C₂ T_x film, dan 3,3 kali dan 4,3 kali lebih tinggi dari film poli(tetrafluoroetilena) (PTFE) komersial, masing-masing. Selanjutnya, TENG yang dibuat dapat ditempelkan ke tubuh manusia untuk memanen energi dari gerakan manusia, seperti mengetik, mengirim SMS, dan bertepuk tangan. Hasilnya menunjukkan bahwa film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif melalui penumpukan lapis demi lapis memiliki kinerja triboelektrik yang luar biasa, yang memperluas pilihan bahan triboelektrik negatif dan menyediakan pilihan baru untuk TENG keluaran tinggi.

Pengantar

Karena suhu global terus meningkat, pengembangan teknologi pemanenan energi hijau sangat mendesak. TENG berdasarkan efek kopling pengisian kontak dan induksi elektrostatik dianggap sebagai teknologi yang kuat yang secara efektif mengubah energi mekanik ambien menjadi energi listrik [1,2,3]. Sejauh ini, berbagai jenis TENG telah banyak diteliti karena keunggulannya yang ringan, pembuatan yang mudah, pemilihan material yang beragam, dan efisiensi konversi energi yang tinggi [4,5,6]. Meskipun teori dan eksperimen telah memverifikasi bahwa kinerja TENG dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan bahan triboelektrik, masih merupakan tantangan yang signifikan untuk membuat TENG dengan daya keluaran tinggi. Beberapa penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa beberapa gugus fungsi khusus (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) dapat mempengaruhi kemampuan bahan triboelektrik untuk mendapatkan atau kehilangan elektron dan dengan demikian secara efektif memodulasi kinerja triboelektrik kontak TENG [10].

MXene, sebagai keluarga baru dari bahan nano dua dimensi (2D), adalah jenis baru dari karbida logam transisi berlapis atau nitrida yang dapat disintesis dengan mengetsa elemen "A" secara selektif dari fase MAX pendahulunya [11]. Rumus umum MXene adalah M_{n +1} X_n T_x , di mana M, X, dan T_x mewakili logam transisi (seperti Sc, Ti, Zr, Hf, V, dan Nb), C atau N (n = 1, 2 atau 3), dan berbagai kelompok ujung permukaan (–F, –OH, = O), masing-masing [12,13,14]. Gugus -F memiliki kemampuan penarikan elektron yang paling kuat, sedangkan densitas yang lebih tinggi dari gugus -F menghasilkan kerapatan muatan yang lebih kuat [15]. Peningkatan jarak antar lapisan skala nano antara lembaran nano MXene berlapis alternatif akan secara efektif meningkatkan saluran kelompok -F, yang kondusif untuk lebih banyak kelompok -F yang mengalir di antara lembaran nano film komposit. Oleh karena itu, MXene diharapkan sebagai bahan triboelektrik negatif yang ideal untuk TENG. Oleh karena itu, MXenes diharapkan sebagai bahan triboelektrik negatif yang ideal untuk TENGs [16,17,18]. Semua elektrospun poli(vinil alkohol)/Ti₃ C₂ T_x TENG fleksibel berbasis nanofiber telah dilaporkan bahwa penggabungan Ti₃ C₂ T_x telah secara signifikan meningkatkan properti dielektrik dan dengan demikian meningkatkan kinerja keluaran triboelektrik [19]. Sementara itu, Wang dkk. menyajikan nanokomposit polidimetilsiloksan dengan Ti₃ . yang saling berhubungan tiga dimensi C₂ T_x disajikan sebagai bahan triboelektrik negatif, yang dapat dibuat dengan metode pengeringan beku searah dan metode impregnasi dengan bantuan vakum [20]. Cao dkk. laporkan TENG tahan air yang sangat fleksibel dan berkinerja tinggi berdasarkan kain baru Ti₃ C₂ T_x /Ecoflex nanocomposite untuk pemanenan energi universal dari berbagai gerakan manusia [21].

Namun, seperti banyak bahan 2D lainnya, kinerja MXene terhambat karena agregasinya, [22] yang menghasilkan saluran nano terbatas untuk grup -F [23]. Untuk memanfaatkan sepenuhnya sifat elektrokimianya, Ti₃ C₂ T_x nanosheets yang mengandung struktur berpori dan spacer interlayer telah dilaporkan [24]. Memperkenalkan spacer interlayer [25,26,27] (seperti graphene [28], polimer [29, 30], graphene oxide [31], dan nanopartikel oksida logam [32]) ke dalam MXene juga secara signifikan meningkatkan kinerja output TENG .

Di sini, struktur tumpuk lapisan diadopsi untuk merancang dan membuat film komposit MXene berlapis alternatif dengan gugus -F yang melimpah dan struktur mikro intrinsik yang seragam. Nb₂ CT_x nanosheet dipilih sebagai spacer karena elektronegativitasnya lebih tinggi daripada nanomaterial berbasis karbon, dan Ti₃ C₂ T_x berfungsi sebagai bahan curah karena elektronegativitasnya yang tinggi. Film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif yang disiapkan dapat secara efektif mengurangi penyusunan ulang Ti₃ C₂ T_x nanosheets dan meningkatkan jarak antarlapisan antara Ti₃ C₂ T_x nanosheets, yang akan menyediakan saluran nano yang lebih efektif untuk grup -F. Ditemukan bahwa lapisan alternatif komposit MXene nanosheet film berbasis TENG (AM-TENG) mencapai kinerja terbaik dengan rasio bobot 15% Nb₂ CT_x . Kerapatan arus dan tegangan keluaran maksimum adalah 8,06 A/cm² dan 34,63 V, masing-masing, 8,4 kali dan 3,5 kali lipat Ti₃ murni C₂ T_x film dan 4,1 kali dan 4,2 kali lipat dari film PTFE komersial. Selain itu, kemampuan pemanenan energi dari TENG berbasis film komposit MXene berlapis alternatif ditunjukkan melalui pengisian kapasitor. Karya ini mendemonstrasikan jenis baru bahan triboelektrik untuk pemanenan energi hijau yang sangat efisien.

Metode

Materi

Semua bahan kimia yang digunakan tidak dimurnikan lebih lanjut. Ti₃ AlC₂ dan Nb₂ Bubuk AlC dibeli dari Shandong Xiyan new material technology Co., Ltd. Isopropylamine disediakan oleh Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Persiapan

Pertama, 1,6 g LiF (Aladdin) dilarutkan dalam 20 mL larutan asam klorida (Sigma, 9 M). Kemudian, 1,0 g Ti₃ AlC₂ perlahan ditambahkan ke (dalam 10 menit) campuran di atas di bawah kondisi pengadukan terus menerus. Setelah itu, reaksi dilanjutkan selama satu hari pada suhu 35 . Ketiga, suspensi yang telah dibuat dicuci dengan air deionisasi beberapa kali sampai pH mencapai 6. Terakhir, Ti₃ yang homogen C₂ T_x larutan disonikasi di bawah penangas es selama 1 jam dan selanjutnya disentrifugasi selama 1 jam lagi pada 3500 rpm. Total 1 g Nb₂ Bubuk AlC ditambahkan secara bertahap (dalam waktu 5 menit) ke dalam 10 mL larutan hidrofluorik 50% berat. Kemudian larutan diaduk secara konstan selama dua hari pada suhu 35 °C untuk mengetsa lapisan Al dari Nb₂ AlC. Setelah sentrifugasi dan pencucian berulang kali dengan air deionisasi, sedimen yang terkumpul dengan pH lebih dari 6 didispersikan dalam 10 mL larutan isopropilamina selama satu hari pada suhu kamar untuk interkalasi lebih lanjut. Setelah sentrifugasi, sedimen basah didispersikan dalam 100 mL air deionisasi. Akhirnya, setelah langkah sentrifus 1 jam pada kecepatan putar 3500 rpm, Nb₂ yang homogen CT_x solusi diperoleh.

Fabrikasi TENG

TENG yang bekerja di bawah mode pemisahan kontak dibuat. Pertama, selembar kertas tembaga ditempelkan pada papan akrilik untuk membentuk elektroda berbentuk persegi dengan ukuran 1 cm × 1 cm (panjang × lebar). Kemudian, film nilon 1 cm × 1 cm yang dilekatkan pada foil Cu digunakan sebagai lapisan gesekan. Selanjutnya, pasangan lain dengan komposit film komposit MXene berlapis alternatif sebagai lapisan gesekan dibuat sesuai dengan langkah yang sama. Dibandingkan dengan PTFE-TENG, satu-satunya perbedaan adalah menggunakan film komposit MXene berlapis alternatif daripada film PTFE komersial. Tegangan keluaran rangkaian terbuka, arus hubung singkat, dan muatan transfer dari film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif diukur dengan elektrometer Keithley 6517B. Motor linier (Linmot E1100) diterapkan untuk menyediakan pemicu periodik eksternal pada frekuensi 2 Hz.

Karakterisasi Material

Struktur kristal dicirikan oleh difraktometer sinar-X bubuk (XRD, Ultima IV, Ilmu Pengetahuan Jepang, 2θ berkisar dari 5 ° hingga 60 °) dengan radiasi Cu Kɑ. Morfologi nanosheet dikonfirmasi dengan menggunakan pemindaian mikroskop elektron (SEM, Hitachi SU8010), dan pemetaan spektroskopi sinar-X (EDS) dispersi energi dilakukan pada instrumen yang sama (SISTEM IXRF). Spektrum Raman (LABRAM HR EVOLUTION) diperoleh melalui mikroskop Raman confocal dengan panjang gelombang eksitasi 532 nm dan kisi spektral 1800 garis/mm. Spektrum diperoleh dengan memfokuskan laser melalui tujuan 50 × . Sebuah LCR meter (Hioki, IM 3536) digunakan untuk mengevaluasi konstanta dielektrik nanosheets.

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skema dari proses fabrikasi langkah demi langkah dari film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif. Beberapa lapis Ti₃ C₂ T_x MXene dibuat melalui prekursor etsa Ti₃ AlC₂ menggunakan larutan HCl/LiF [33] dan disonikasi di bawah penangas es (Gbr. 1 I). Menurut Gambar. 1 II, lapisan atom Al digores dengan HF dari Nb₂ Fase AlC MAX [27, 34,35,36]. Larutan isopropilamina (I-PrA) diselingi antara multilayer Nb₂ CT_x untuk memperbesar jarak antarlapisan, diikuti dengan pengocokan manual untuk menghilangkan lapisan Nb₂ CT_x menjadi beberapa lapisan nanosheet [27]. Di Ti₃ acquired yang diakuisisi C₂ T_x nanosheet, atom titanium disusun dalam struktur yang rapat, atom karbon mengisi situs interstisial oktahedral, dan T_x (–F, –OH, = O) berada di permukaan lapisan Ti terluar, yang membentuk struktur sandwich berlapis. Demikian pula, untuk Nb₂ CT_x , atom niobium mengisi posisi titik oktahedral, menyusun struktur ABAB berlapis. Efek hamburan Tyndall yang diamati pada Gambar. 1 mencerminkan bahwa kedua Ti₃ C₂ T_x solusi dan Nb₂ CT_x larutan memiliki stabilitas dan dispersi yang sangat baik, yang menjanjikan keseragaman setiap lapisan. Terakhir, film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dibuat melalui penumpukan ABAB di bawah filtrasi vakum (File tambahan 1:Gambar S1).

Ilustrasi skema dari proses fabrikasi film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif

Karakterisasi film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif disajikan pada Gambar 2. Melalui etsa stratifikasi atom Al dari Ti₃ AlC_2, beberapa lapisan Ti₃ C₂ T_x mengekspresikan struktur laminasi tipikal, yang sama seperti MXena tipikal, seperti ditunjukkan pada Gambar 2a. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b–f, rasio berat film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif 5%, 10%, 15%, 20%, dan 25% memiliki struktur multilayer yang longgar. Apalagi saat Nb₂ CT_x konten meningkat dari 5 menjadi 10% berat, jarak antar lapisan nano antara lembaran nano dari film komposit secara bertahap meningkat. Dari 15 hingga 25% berat, jarak antar lapisan nano antara lembaran nano dalam film komposit tidak memiliki perubahan besar. Dengan demikian, Ti₃ . yang terdelaminasi C₂ T_x nanosheet dan nanosheet MXene berlapis alternatif berhasil disiapkan. Untuk menjelaskan derajat pencampuran homogen Nb₂ CT_x nanosheets dalam film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif, diperoleh gambar pemetaan spektroskopi sinar-X (EDS) energi-dispersif dari penampang. Elemen Nb, Ti, O, dan F terdeteksi di seluruh wilayah yang dipindai, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2h (dan File tambahan 1:Gambar S2). Dapat diamati bahwa unsur Nb dan Ti memiliki distribusi yang sama pada film komposit, menunjukkan bahwa Ti₃ C₂ T_x dan Nb₂ CT_x nanosheet ditumpuk secara seragam. Untuk menganalisis lebih lanjut fase material dan perubahan jarak antar lapisan antara Ti₃ C₂ T_x dan Nb₂ CT_x nanosheets, pengukuran difraktometer sinar-X (XRD) dilakukan pada Ti₃ murni C₂ T_x dan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif. Sebagaimana dirinci dalam File tambahan 1:Gambar S4a, setelah etsa dan delaminasi selektif, Ti₃ murni fabrikasi C₂ T_x film menyajikan puncak difraksi kuat (002) pada 7,15 °, yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan sebelumnya [11, 33, 37]. Seperti ditunjukkan pada File tambahan 1:Gambar S4b, dapat dilihat bahwa puncak difraksi (002) bergeser dari 12,86° untuk Nb₂ AlC MAX hingga 7,05 ° untuk Nb₂ CT_x film karena etsa lengkap lapisan atom Al [27]. Hasil XPS ditampilkan dalam file tambahan 1:Gambar S3. Spektrum F 1 dari MXene berlapis-alternatif pada Gambar. S3b dapat didekonvolusi menjadi dua puncak pada 684,72 dan 686,45 eV, masing-masing mewakili Ti-F dan Al-F. [15, 16] Hasil XRD juga tercantum pada Gambar. 2j. Perbandingan antara Ti murni₃ C₂ T_x film dan 5 wt% film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif menunjukkan bahwa intensitas puncak difraksi (002) jelas menurun, yang menunjukkan masuknya Nb₂ CT_x nanosheet. Sebagai Nb₂ CT_x konten meningkat dari 10 menjadi 15% berat, perubahan sudut difraksi secara bertahap menurun, yang berarti bahwa jarak antar lapisan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif secara bertahap meningkat karena interaksi antara Nb₂ CT_x nanosheet dan Ti₃ C₂ T_x nanosheet. Namun, dengan Nb₂ CT_x konten meningkat dari 20 menjadi 25% berat, sudut difraksi secara bertahap meningkat dari 0,6170 menjadi 0,7536 nm (dalam file tambahan 1:Tabel S1). Hasilnya mengungkapkan bahwa karena pengenalan Nb yang berlebihan₂ CT_x nanosheet, Nb₂ CT_x nanosheet dan Ti₃ C₂ T_x nanosheet menumpuk, dan jarak antarlapisan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif berkurang (dari 0,7530 menjadi 0,7371 nm). Hasil XRD konsisten dengan hasil SEM. Untuk lebih mengkonfirmasi komposisi film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif, analisis Raman juga dilakukan. Gambar 2k menunjukkan spektrum Raman dari Nb₂ CT_x , Ti₃ C₂ T_x , dan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan Nb₂ . yang berbeda CT_x isi. Sampel menggambarkan mode getaran yang diharapkan untuk Ti₃ C₂ T_x (Gbr. 2k). Puncak pada 157, 254, 423, dan 615 cm⁻¹ ditugaskan ke E _g mode getaran dari getaran luar bidang atom Ti dan C dalam film komposit MXene berlapis alternatif. Puncaknya pada 197 cm⁻¹ dikaitkan dengan A _g mode vibrasi dari Ti dalam bidang, C, dan atom gugus fungsi permukaan [38]. Dibandingkan dengan Ti₃ pure murni C₂ T_x film, intensitas dan setengah lebar E _g puncak film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif telah berubah, menunjukkan bahwa getaran Ti dan C dalam bidang, kelompok permukaan, dan jarak antar lapisan semuanya telah berubah [39], yang dapat dikaitkan dengan reaksi antara Nb₂ CT_x nanosheet dan Ti₃ C₂ T_x nanosheet.

a Gambar SEM khas Ti₃ C₂ T_x film. Gambar SEM penampang melintang dari film komposit MXene berlapis alternatif dengan Nb₂ CT_x isi:b 5% berat, c 10% berat d 15% berat, e 20% berat, b 25% berat. h Data pemetaan EDS dari 15% berat film MXene berlapis alternatif. j Pola XRD dari film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif. k Spektrum Raman dari Ti₃ C₂ T_x dan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan berbagai rasio

Gambar 3a menunjukkan mekanisme kerja AM-TENG yang terdiri dari triboelektrifikasi kontak dan induksi elektrostatik [40]. AM-TENG beroperasi di bawah mode pemisahan kontak, di mana film nilon atas dan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif bekerja masing-masing sebagai lapisan dielektrik positif dan negatif. Muatan listrik yang dihasilkan antara dua permukaan gesekan membangun medan listrik. Perubahan jarak menciptakan medan listrik yang dapat diubah, diikuti oleh arus perpindahan antara dua elektroda sirkuit eksternal. Akibatnya, sebagai pemicu diterapkan secara berkala dan dilepaskan ke TENG, elektron menarik bolak-balik selama kontak dan pemisahan berkala, menghasilkan arus bolak-balik melalui sirkuit eksternal. Untuk mengevaluasi peran Nb₂ CT_x , keluaran listrik AM-TENG dengan Nb₂ CT_x rasio berat mulai dari 0 hingga 25% dilakukan, termasuk tegangan rangkaian terbuka (V _ok ), arus hubung singkat (I _sc ) densitas, dan densitas muatan yang ditransfer (Q _sc ). TENG berdasarkan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan ketebalan yang sama diukur dalam kondisi yang sama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b–d. Jelas, dapat dilihat bahwa Aku _sc kepadatan, V _ok , dan T _sc dari 15% berat AM-TENG secara bersamaan meningkat luar biasa dibandingkan dengan Ti₃ . murni C₂ T_x film. Sebesar Nb₂ CT_x meningkat menjadi 15% berat, output yang dihasilkan I _sc kepadatan, V _ok , dan T _sc AM-TENG secara bertahap meningkat hingga 8,06 A/cm² , 34,63 V, dan 11,19 nC, masing-masing, yang 8,4 kali, 3,5 kali, dan 3,6 kali lebih tinggi dari Ti₃ murni C₂ T_x film (0,96 A/cm² , 9,94 V, dan 3,08 nC), seperti yang dijelaskan pada Gambar 3a dan b. Namun, ketika jumlah bobot Nb₂ CT_x meningkat lebih lanjut dari 15 menjadi 25%, I _sc kepadatan, V _ok , dan T _sc turun menjadi 1,97 A/cm² , 19,74 V, dan 5,30 nC, masing-masing. File tambahan 1:Gambar S5 merangkum tren variasi I _sc kepadatan, V _ok , dan T _sc dengan peningkatan gradien Nb₂ CT_x rasio berat.

a Diagram skema AM-TENG dalam mode kerja pemisahan kontak. b V _ok , c Aku _sc kepadatan, dan d T _sc sinyal AM-TENG dengan Nb berbeda₂ CT_x konten pada 2 Hz. e Konstanta dielektrik film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan Nb₂ different yang berbeda CT_x isinya

Untuk mode pemisahan kontak AM-TENG, konstanta dielektrik merupakan parameter penting untuk menentukan kinerja keluaran. Oleh karena itu, konstanta dielektrik film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dicirikan oleh model permitivitas kompleks dalam rentang frekuensi 0,1 hingga 1000 MHz. Kemudian, konstanta dielektrik Ti₃ C₂ T_x dan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan Nb₂ . yang berbeda CT_x konsentrasi dan frekuensi ditunjukkan pada Gambar. 3e. Dapat dilihat dari Gambar 3e bahwa ketika rasio doping meningkat dari 0 menjadi 15% berat, konstanta dielektrik meningkat dari 0,02 menjadi 0,04. Dengan rasio berat yang semakin meningkat hingga 25% berat, konstanta dielektrik menurun dari 0,03 menjadi 0,02. Konstanta dielektrik film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif lebih tinggi daripada Ti₃ murni C₂ T_x film karena pembentukan jaringan antarmuka mikrokapasitor [21]. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, konduktif antara Ti₃ C₂ T_x dan Nb₂ CT_x kemungkinan agregat, membentuk jaringan konduktif dan karenanya menghancurkan sifat dielektrik film MXene berlapis alternatif. Oleh karena itu, kebocoran listrik dapat menyebabkan penurunan kinerja output [41]. Hasilnya menunjukkan bahwa konstanta dielektrik maksimum diperoleh dengan 15% wt% Nb₂ CT_x konsentrasi, yang memiliki konsistensi yang baik dengan hasil listrik pada Gambar. 3b-d. Dengan kata lain, dengan meningkatnya konstanta dielektrik, Nb₂ CT_x konten semakin meningkatkan kinerja triboelectric.

Untuk lebih memperjelas hubungan teoretis antara output AM-TENG dan konsentrasi pengisi, TENG dapat direduksi menjadi model kapasitor panel datar dalam File tambahan 1:Gambar S6. Kuat medan listrik di celah udara dan dielektrik diberikan oleh [42]:

Di dalam dielektrik 1

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

Di dalam dielektrik 2

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

Celah udara di dalam

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

$\upsigma _{c}$ adalah kerapatan muatan permukaan. Jarak (x ) dari dua lapisan triboelektrik bervariasi dengan gaya mekanik, dan $\upsigma _{I}$(x, t) ditransfer elektron bebas dalam elektroda. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{o}$ adalah permitivitas vakum, dan d ₁ dan d ₂ adalah ketebalan bahan dielektrik. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ dan ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}$ adalah konstanta dielektrik relatif dielektrik 1 dan konstanta dielektrik relatif dielektrik 2, masing-masing.

Tegangan antara dua elektroda dapat diberikan oleh

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

Dalam kondisi korsleting dan 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)

Persamaan (5) menunjukkan bahwa rapat muatan transfer $\upsigma _{I}$ meningkat dengan meningkatnya rapat muatan triboelektrik $\upsigma _{c}$ pada permukaan dielektrik dan permitivitas dielektrik $ {{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ dan ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$, masing-masing. Menurut rumus tersebut, output listrik meningkat seiring dengan meningkatnya konstanta dielektrik bahan dielektrik yang dengan kuat mendukung hasil eksperimen pada Gambar. 3.

Untuk memperkirakan lebih lanjut sifat gesekan dari film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif, film PTFE komersial dengan gugus fungsi -F yang sama dibandingkan. Di bawah kondisi pengujian yang sama, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a–c, I _pp-sc dari 8,65 A/cm² , V _ok dari 37,63 V, dan Q _sc 13,24 nC, masing-masing, adalah 4,3 kali, 3,3 kali, dan 3,0 kali lipat dari film PTFE komersial. Ini menggambarkan bahwa film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif adalah bahan triboelektrik yang menjanjikan. Gambar 4d menggambarkan kerapatan arus, tegangan berdasarkan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan 15% berat Nb₂ CT_x sebagai fungsi dari tahanan beban luar yang berkisar antara 0,01 sampai 80 MΩ. Jelas, rapat arus hubung singkat berkurang dengan meningkatnya resistansi eksternal yang terhubung, sedangkan V _ok mengikuti tren yang meningkat. Daya sesaat TENG diperoleh dengan menghitung tegangan beban terukur dan rapat arus dengan resistor. Daya puncak TENG yang sesuai adalah sekitar 0,10 mW/cm² di bawah tahanan beban 5 MΩ (Gbr. 4e). Kami juga mengeksplorasi aplikasi praktis TENG sebagai pemanen energi dan catu daya. Setelah penyearahan, tegangan yang dapat disimpan dengan mengisi kapasitor 1,0 F, 2,2 F, 3,3 F,4,7 F, dan 10,0 F selama 180 s adalah masing-masing 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V, dan 0,22 V (Gbr. 4f).

Performa keluaran AM-TENG berbasis film komposit dengan 15% Nb₂ CT_x konten atau film PTFE komersial. a V _ok , b Aku _sc kepadatan, dan c T _sc . d Kerapatan dan tegangan arus keluaran dan e kepadatan daya am-TENG berdasarkan film komposit dengan 15% berat Nb₂ CT_x konten sebagai fungsi dari tahanan beban eksternal. f Analisis kinerja pengisian daya film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif di bawah kapasitas kapasitansi yang berbeda

Selanjutnya, AM-TENG dapat memanen energi mekanik dari gerakan sederhana manusia dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. V _ok perangkat di bawah gerakan manusia yang berbeda, seperti menggunakan mouse, mengirim pesan teks, mengetik, menampar tangan, mengetuk tangan, dan bertepuk tangan, direkam. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5a dan File tambahan 2:video 1 di Informasi Pendukung, terus menggunakan mouse menghasilkan V _ok sebesar 2,45 V. Setelah itu, saat menggeser dan mengirim SMS di ponsel (Gbr. 5b dan File tambahan 3:Video 2), hasilnya menunjukkan bahwa V _ok dari 2,46 V diperoleh. Selanjutnya, seperti yang digambarkan pada Gambar 5c dan 5d (File tambahan 4, 5:Video 3 dan 4), kaki yang ditampar dengan tangan dan kaki yang ditepuk tangan menghasilkan V _ok masing-masing sebesar 9,30 V dan 18,68 V. Kemudian, dari Gbr. 5e dan File tambahan 6:Video 5, diverifikasi bahwa kaki yang mengetuk dengan tangan menghasilkan V _ok dari 18,72 V. Terakhir, pada Gbr. 5f (File tambahan 7:Video 6), sebuah V _ok sebesar 27,61 V dihasilkan oleh tepukan tangan. Singkatnya, tampaknya AM-TENG memiliki potensi aplikasi yang sangat besar dalam aplikasi portabel.

V _ok sinyal AM-TENG di bawah keadaan gerak yang berbeda. a Menggunakan mouse, b Mengirim SMS, c Mengetik, d Tamparan tangan, e Ketukan tangan, f Tepuk tangan

Kesimpulan

Singkatnya, TENG berkinerja tinggi berdasarkan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif dengan grup -F berlimpah melalui penumpukan lapis demi lapis berhasil dibuat. Nb₂ introduced yang diperkenalkan CT_x interlayer tidak hanya menjanjikan struktur mikro intrinsik yang seragam dari film komposit dan menyediakan lebih banyak saluran nano untuk gugus -F yang efektif, tetapi juga meningkatkan konstanta dielektrik. Bila jumlah Nb₂ CT_x meningkat menjadi 15% berat, TENG berdasarkan film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif mencapai output maksimum. Kerapatan arus hubung singkat dan tegangan 8,06 A/cm² dan 34,63 V adalah 8,4 kali dan 3,5 kali lebih tinggi dari Ti₃ pure murni C₂ T_x film dan 4,3 kali dan 3,3 kali lebih tinggi dari film poli(tetrafluoroetilena)(PTFE) komersial. Selain itu, TENG yang dibuat dapat ditempelkan ke tubuh manusia untuk mengumpulkan energi dari gerakan sederhana manusia, seperti mengetik, mengirim SMS, dan bertepuk tangan. Hasilnya menunjukkan bahwa film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif melalui penumpukan lapis demi lapis dapat memiliki kinerja triboelektrik yang luar biasa, yang memperkaya keluarga bahan triboelektrik dan menyediakan pilihan baru untuk TENG keluaran tinggi.

Ketersediaan data dan materi

Semua data tersedia sepenuhnya tanpa batasan.

Singkatan

TENG:: Nanogenerator triboelektrik
F:: Kelompok fluor
PTFE:: Poli(tetrafluoroetilena)
2D:: Dua dimensi
AM-TENG:: TENG berbasis film nanosheet komposit MXene berlapis alternatif
XRD:: Difraktometer sinar-X
SEM:: Pemindaian mikroskop elektron
EDS:: Spektroskop sinar-X dispersi energi
I-PrA:: Isopropilamina
V _ok :: Tegangan rangkaian terbuka
Saya _sc :: Kepadatan arus hubung singkat
T _sc :: Kepadatan muatan yang ditransfer

Nanodiamond Pemancar Hijau Berkualitas Tinggi yang Dibuat dengan Sintering HPHT dari Berlian Gelombang Kejut Polikristalin Polarisasi Berbasis Grafena-Independen Modulator Penyerapan Elektro-Inframerah Pertengahan Inframerah Terintegrasi dalam Panduan Gelombang Kaca Chalcogenide

bahan nano