TENG Film Komposit MXene Tingkat Tinggi Mencapai Output Listrik Unggul

Abstrak

Daya output nanogenerator triboelektrik (TENG) sangat bergantung pada performa materi triboelektrik, terutama mikrostruktur dan grup fungsionalnya. Dalam karya ini, bertujuan untuk kemampuan triboelektrik yang unggul, TENG berbasis film komposit MXene berlapis bergantian dengan grup fluorin (-F) yang melimpah melalui penyusunan lapis demi lapis dirancang dan diproduksi. Dengan manfaat dari mikrostruktur intrinsik yang seragam dan konstanta dielektrik yang meningkat, ketika jumlah nanosheet Nb₂CT_x meningkat hingga 15 wt%, TENG berdasarkan film komposit nanosheet Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x mencapai output maksimum. Kepadatan arus pendek 8,06 μA/cm² dan tegangan 34,63 V adalah 8,4 kali dan 3,5 kali dari film Ti₃C₂T_x murni, dan 3,3 kali dan 4,3 kali dari film poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) komersial, masing-masing. Selain itu, TENG yang diproduksi dapat ditempelkan pada tubuh manusia untuk memanen energi dari gerakan manusia, seperti mengetik, mengirim pesan teks, dan memukul tangan. Hasilnya menunjukkan bahwa film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian melalui penyusunan lapis demi lapis memiliki performa triboelektrik yang luar biasa, yang memperluas pilihan materi triboelektrik negatif dan menyediakan pilihan baru untuk TENG output tinggi.

Pendahuluan

Seiring dengan kenaikan suhu global yang terus berlanjut, pengembangan teknologi pemanen energi hijau menjadi mendesak. TENG berdasarkan efek coupling dari pengisian kontak dan induksi elektrostatis dianggap sebagai teknologi yang kuat yang secara efektif mengubah energi mekanis lingkungan menjadi energi listrik [1,2,3]. Sampai sekarang, berbagai jenis TENG telah diteliti secara luas karena keuntungan ringan, mudah diproduksi, berbagai pilihan materi, dan efisiensi konversi energi yang tinggi [4,5,6]. Meskipun teori dan eksperimen telah memverifikasi bahwa performa TENG dapat ditingkatkan dengan mengoptimalkan materi triboelektrik, masih merupakan tantangan besar untuk memproduksi TENG dengan daya output tinggi. Beberapa penelitian sebelumnya menunjukkan bahwa beberapa grup fungsional khusus (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) dapat mempengaruhi kemampuan materi triboelektrik untuk mendapatkan atau kehilangan elektron dan oleh karena itu secara efektif memodulasi performa triboelektrik kontak TENG [10].

MXene, sebagai keluarga baru dari nanomaterial dua dimensi (2D), adalah jenis baru dari karbonida atau nitrida logam transisi berlapis yang dapat disintesis dengan menyelap secara selektif elemen "A" dari fase MAX prekursornya [11]. Rumus umum MXenes adalah M_n+1X_nT_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 grup akhir permukaan (–F, –OH, = O), masing-masing [12,13,14]. Grup -F memiliki kemampuan menarik elektron yang terkuat, sementara kepadatan grup -F yang lebih tinggi menghasilkan densitas muatan yang lebih intens [15]. Peningkatan jarak antar lapisan dalam skala nanos antara nanosheet MXene berlapis bergantian akan secara efektif meningkatkan saluran grup -F, yang menguntungkan lebih banyak grup -F mengalir di antara nanosheet film komposit. Oleh karena itu, MXene diharapkan sebagai materi triboelektrik negatif ideal untuk TENG. Oleh karena itu, MXene diharapkan sebagai materi triboelektrik negatif ideal untuk TENG [16,17,18]. TENG fleksibel berbasis nanofibre elektrospun poli(alkohol vinyl)/Ti₃C₂T_x telah dilaporkan bahwa penambahan Ti₃C₂T_x telah secara signifikan meningkatkan properti dielektrik dan sehingga meningkatkan performa output triboelektrik [19]. Sementara itu, Wang et al. menyajikan nanokomposit polidimetilsiloksana dengan Ti₃C₂T_x tiga dimensi yang terhubung sebagai materi triboelektrik negatif, yang dapat dipersiapkan dengan metode pengeringan beku unidireksional dan impregnasi assisted vacuum [20]. Cao et al. melaporkan TENG anti air yang fleksibel dan berkinerja tinggi berdasarkan nanokomposit kain baru Ti₃C₂T_x/Ecoflex untuk pemanen energi universal dari berbagai gerakan manusia [21].

Namun, seperti banyak materi 2D lainnya, performa MXene terhambat karena agregasi [22], yang menghasilkan saluran nano yang terbatas untuk grup -F [23]. Untuk memanfaatkan sepenuhnya properti elektrokimia mereka, nanosheet Ti₃C₂T_x yang mengandung struktur pori dan spasi antar lapisan telah dilaporkan [24]. Pengenalan spasi antar lapisan [25,26,27] (seperti grafen [28], polimer [29, 30], oksida grafen [31], dan nanopartikel oksida logam [32]) ke dalam MXene juga telah secara signifikan meningkatkan performa output TENG.

Di sini, struktur berlapis digunakan untuk merancang dan memproduksi film komposit MXene berlapis bergantian dengan grup -F yang melimpah dan mikrostruktur intrinsik yang seragam. Nanosheet Nb₂CT_x dipilih sebagai spasi karena elektronegatifitasnya yang lebih tinggi daripada nanomaterial berbasis karbon, dan Ti₃C₂T_x berfungsi sebagai bahan utama karena elektronegatifitasnya yang tinggi. Film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian yang disiapkan dapat secara efektif mengurangi restacking diri nanosheet Ti₃C₂T_x dan meningkatkan jarak antar lapisan antara nanosheet Ti₃C₂T_x, yang akan menyediakan saluran nano yang lebih efektif untuk grup -F. Ditemukan bahwa TENG berbasis film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian ini (AM-TENG) mencapai performa terbaik dengan rasio bobot 15% Nb₂CT_x. Daya output maksimum dan tegangan adalah 8,06 μA/cm² dan 34,63 V, masing-masing, yang adalah 8,4 kali dan 3,5 kali dari film Ti₃C₂T_x murni dan 4,1 kali dan 4,2 kali dari film PTFE komersial. Selain itu, kemampuan pemanen energi TENG berbasis film komposit MXene berlapis bergantian divalidasi melalui pengisian kapasitor. Karya ini menunjukkan jenis materi triboelektrik baru untuk pemanen energi hijau yang sangat efisien.

Metode

Bahan

Semua kimia yang digunakan tidak difurnirkan lebih lanjut. Ti₃AlC₂ dan bubuk Nb₂AlC dibeli dari Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. Isopropilamina 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 Ti₃AlC₂ ditambahkan perlahan (dalam 10 menit) ke dalam campuran di atas dengan pengadukan berkelanjutan. Kemudian, reaksi dilanjutkan selama satu hari pada suhu 35 ℃. Ketiga, suspensi yang disiapkan dicuci dengan air deionis beberapa kali sampai pH mencapai 6. Akhirnya, larutan homogen Ti₃C₂T_x di sonikasi di bawah kolam es selama 1 jam dan kemudian di sentrifugasi selama 1 jam lagi pada 3500 rpm. Sebanyak 1 g bubuk Nb₂AlC ditambahkan secara bertahap (dalam 5 menit) ke dalam 10 mL larutan hidrofluorit 50 wt%. Kemudian, larutan diaduk konstan selama dua hari pada 35 °C untuk menyelap lapis Al dari Nb₂AlC. Setelah sentrifugasi dan dicuci berulang-ulang dengan air deionis, sedimen yang dikumpulkan dengan pH di atas 6 disperdi dalam 10 mL larutan isopropilamina selama satu hari pada suhu kamar untuk interkalasi lebih lanjut. Setelah sentrifugasi, sedimen basah disperdi dalam 100 mL air deionis. Akhirnya, setelah langkah sentrifugasi 1 jam pada keceputaran 3500 rpm, larutan homogen Nb₂CT_x diperoleh.

Pembuatan TENG

TENG yang bekerja dalam mode kontak-pemisahan diproduksi. Pertama, sepotif foil tembaga dilekatkan pada papan akrilik untuk membentuk elektroda persegi dengan ukuran 1 cm × 1 cm (panjang × lebar). Kemudian, film nylon 1 cm × 1 cm yang dilekatkan pada foil Cu digunakan sebagai lapisan gesekan. Selanjutnya, bagian lainnya dengan film komposit MXene berlapis bergantian sebagai lapisan gesekan diproduksi sesuai dengan langkah yang sama. Dibandingkan dengan PTFE-TENG, satu-satunya perbedaan adalah menggunakan film komposit MXene berlapis bergantian alih-alih film PTFE komersial. Tegangan output rangkaian terbuka, arus pendek, dan muatan yang ditransfer dari film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian diukur dengan elektrometer Keithley 6517B. Motor linier (Linmot E1100) digunakan untuk memberikan pemicu periodik eksternal pada frekuensi 2 Hz.

Karakterisasi Bahan

Struktur kristal dikarakterisikan oleh difraktometer sinar-X bubuk (XRD, Ultima IV, Japanese Science, rentang 2θ dari 5° hingga 60°) dengan radiasi Cu Kɑ. Morfologi nanosheet dikonfirmasi dengan menggunakan mikroskop elektron pemindai (SEM, Hitachi SU8010), dan pemetaan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS) dilakukan pada instrumen yang sama (IXRF SYSTEMS). Spektra Raman (LABRAM HR EVOLUTION) diperoleh melalui mikroskop Raman konfokal dengan panjang gelombang eksitasi 532 nm dan gratis spektral 1800 garis/mm. Spektra diperoleh dengan memfokuskan laser melalui objektif 50 ×. Meter LCR (Hioki, IM 3536) digunakan untuk mengevaluasi konstanta dielektrik nanosheet.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1 menunjukkan ilustrasi skematik proses pembuatan langkah demi langkah film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian. Beberapa lapis Ti₃C₂T_x MXene disiapkan dengan menyelap prekursor Ti₃AlC₂ menggunakan larutan HCl/LiF [33] dan di sonikasi di bawah kolam es (Gambar 1 I). Menurut Gambar 1 II, lapis atom Al diselap oleh HF dari fase MAX Nb₂AlC [27, 34,35,36]. Larutan isopropilamina (I-PrA) diinterkalasi di antara lapisan multi Nb₂CT_x untuk memperbesar jarak antar lapisan, diikuti oleh pengocokan manual untuk memisahkan Nb₂CT_x menjadi nanosheet beberapa lapis [27]. Dalam nanosheet Ti₃C₂T_x yang diperoleh, atom titanium diatur dalam struktur padat tertutup, atom karbon mengisi situs interstisial oktahedral, dan T_x (–F, –OH, = O) berada pada permukaan lapis Ti luar, yang membentuk struktur berlapis sandwich. Demikian pula, untuk Nb₂CT_x, atom niobium mengisi posisi titik oktahedral, merakit struktur berlapis ABAB. Efek pencaran Tyndall yang diamati dalam Gambar 1 menunjukkan bahwa baik larutan Ti₃C₂T_x maupun larutan Nb₂CT_x memiliki stabilitas dan dispersi yang baik, yang menjamin keseragaman setiap lapis. Akhirnya, film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dibangun melalui tumpukan ABAB di bawah filtrasi vakum (File Tambahan 1: Gambar S1).

TENG Film Komposit MXene Tingkat Tinggi Mencapai Output Listrik Unggul

Karakterisasi film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian disajikan dalam Gambar 2. Dengan menyelap lapisan atom Al dari Ti₃AlC_2,, nanosheet Ti₃C₂T_x beberapa lapis yang diperoleh menunjukkan struktur berlapis yang khas, yang sama dengan MXene tipikal, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2a. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2b–f, rasio bobot film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian sebesar 5%, 10%, 15%, 20%, dan 25% memiliki struktur berlapis multipel yang longgar. Selain itu, ketika konten Nb₂CT_x meningkat dari 5 ke 10 wt%, jarak antar lapisan dalam skala nanos antara nanosheet film komposit secara bertahap meningkat. Dari 15 hingga 25 wt%, jarak antar lapisan dalam skala nanos antara nanosheet dalam film komposit tidak berubah banyak. Dengan demikian, nanosheet Ti₃C₂T_x yang terpisah dan nanosheet MXene berlapis bergantian berhasil disiapkan. Untuk menjelaskan tingkat pengcampuran yang homogen dari nanosheet Nb₂CT_x dalam film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian, gambar pemetaan spektroskopi sinar-X dispersi energi (EDS) dari bagian lintasan diperoleh. Elemen Nb, Ti, O, dan F terdeteksi di seluruh daerah yang dipindai, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2h (dan File Tambahan 1: Gambar S2). Terlihat bahwa elemen Nb dan Ti memiliki distribusi yang sama dalam film komposit, yang menunjukkan bahwa nanosheet Ti₃C₂T_x dan Nb₂CT_x ditumpuk secara seragam. Untuk menganalisis lebih lanjut fasa bahan dan perubahan jarak antar lapisan antara nanosheet Ti₃C₂T_x dan Nb₂CT_x, pengukuran difraktometer sinar-X (XRD) dilakukan pada film Ti₃C₂T_x murni dan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian. Seperti yang dijelaskan dalam File Tambahan 1: Gambar S4a, setelah selap selektif dan pemisahan, film Ti₃C₂T_x murni yang diproduksi menunjukkan puncak difraksi (002) yang kuat pada 7,15°, yang sesuai dengan hasil yang sebelumnya dilaporkan [11, 33, 37]. Seperti yang ditunjukkan dalam File Tambahan 1: Gambar S4b, dapat dilihat bahwa puncak difraksi (002) bergeser dari 12,86° untuk MAX Nb₂AlC menjadi 7,05° untuk film Nb₂CT_x karena selapan lengkap lapis atom Al [27]. Hasil XPS ditampilkan dalam File Tambahan 1: Gambar S3. Spektrum F 1 s dari MXene berlapis bergantian dalam Gambar S3b dapat diuraikan menjadi dua puncak pada 684,72 dan 686,45 eV, yang mewakili Ti-F dan Al-F, masing-masing. [15, 16] Hasil XRD juga dicantumkan dalam Gambar 2j. Perbandingan antara film Ti₃C₂T_x murni dan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian 5 wt% menunjukkan bahwa intensitas puncak difraksi (002) secara signifikan menurun, yang menunjukkan perkenalan nanosheet Nb₂CT_x. Seiring dengan peningkatan konten Nb₂CT_x dari 10 hingga 15 wt%, perubahan dalam sudut difraksi secara bertahap menurun, yang berarti bahwa jarak antar lapisan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian secara bertahap meningkat karena interaksi antara nanosheet Nb₂CT_x dan nanosheet Ti₃C₂T_x. Namun, dengan peningkatan konten Nb₂CT_x dari 20 hingga 25 wt%, sudut difraksi secara bertahap meningkat dari 0,6170 hingga 0,7536 nm (dalam File Tambahan 1: Tabel S1). Hasilnya mengungkapkan bahwa karena perkenalan nanosheet Nb₂CT_x yang berlebihan, nanosheet Nb₂CT_x dan nanosheet Ti₃C₂T_x tumpuk, dan jarak antar lapisan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian berkurang (dari 0,7530 hingga 0,7371 nm). Hasil XRD sejalan dengan hasil SEM. Untuk mengonfirmasi lebih lanjut komposisi film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian, analisis Raman juga dilakukan. Gambar 2k menunjukkan spektrum Raman dari Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x, dan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dengan berbagai konten Nb₂CT_x. Sampel-sampel menunjukkan modena getaran yang diharapkan untuk Ti₃C₂T_x (Gambar 2k). Puncak pada 157, 254, 423, dan 615 cm⁻¹ ditetapkan kepada modena getaran E_g dari getaran luar bidang atom Ti dan C dalam film komposit MXene berlapis bergantian. Puncak pada 197 cm⁻¹ diatribusikan kepada modena getaran A_g dari atom Ti, C, dan grup fungsional permukaan dalam bidang [38]. Dibandingkan dengan film Ti₃C₂T_x murni, intensitas dan lebar setengah puncak E_g dari film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian telah berubah, yang menunjukkan bahwa getaran Ti dan C dalam bidang, grup permukaan, dan jarak antar lapisan semuanya telah berubah [39], yang dapat diatribusikan pada reaksi antara nanosheet Nb₂CT_x dan nanosheet Ti₃C₂T_x.

Gambar 3a menunjukkan mekanisme kerja AM-TENG, yang berisi triboelektrik kontak dan induksi elektrostatis [40]. AM-TENG bekerja dalam mode kontak-pemisahan, di mana film nylon atas dan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian bawah bekerja sebagai lapisan dielektrik positif dan negatif, masing-masing. Muatan listrik yang dihasilkan di antara dua permukaan gesekan membangun medan listrik. Perubahan jarak menciptakan medan listrik yang dapat diubah, diikuti oleh arus perpindahan di antara dua elektroda rangkaian eksternal. Akibatnya, ketika pemicu diberikan secara periodik dan dilepaskan ke TENG, elektron mundur dan maju selama kontak dan pemisahan periodik, menghasilkan arus bolak-balik melalui rangkaian eksternal. Untuk mengevaluasi peran Nb₂CT_x, output listrik AM-TENG dengan rasio bobot Nb₂CT_x yang bervariasi dari 0 hingga 25% dilakukan, termasuk tegangan rangkaian terbuka (V_oc), kepadatan arus pendek (I_sc), dan kepadatan muatan yang ditransfer (Q_sc). TENG berdasarkan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dengan ketebalan yang sama diukur dalam kondisi yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 3b–d. Jelas, dapat terlihat bahwa kepadatan arus pendek I_sc, tegangan rangkaian terbuka V_oc, dan kepadatan muatan yang ditransfer Q_sc AM-TENG 15 wt% secara bersamaan meningkat secara signifikan dibandingkan dengan film Ti₃C₂T_x murni. Seiring dengan peningkatan jumlah Nb₂CT_x hingga 15 wt%, output yang dihasilkan kepadatan arus pendek I_sc, tegangan rangkaian terbuka V_oc, dan kepadatan muatan yang ditransfer Q_sc AM-TENG secara bertahap meningkat hingga 8,06 μA/cm², 34,63 V, dan 11,19 nC, masing-masing, yang adalah 8,4 kali, 3,5 kali, dan 3,6 kali dari film Ti₃C₂T_x murni (0,96 μA/cm², 9,94 V, dan 3,08 nC), seperti yang dijelaskan dalam Gambar 3a dan b. Namun, ketika jumlah bobot Nb₂CT_x lebih meningkat dari 15 hingga 25%, kepadatan arus pendek I_sc, tegangan rangkaian terbuka V_oc, dan kepadatan muatan yang ditransfer Q_sc menurun menjadi 1,97 μA/cm², 19,74 V, dan 5,30 nC, masing-masing. File Tambahan 1: Gambar S5 meringkas tren variasi kepadatan arus pendek I_sc, tegangan rangkaian terbuka V_oc, dan kepadatan muatan yang ditransfer Q_sc dengan kenaikan bertingkat rasio bobot Nb₂CT_x.

Untuk mode kontak-pemisahan AM-TENG, konstanta dielektrik adalah parameter penting untuk menentukan performa output. Oleh karena itu, konstanta dielektrik film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dikarakterisikan dengan model permitivitas kompleks dalam rentang frekuensi 0,1 hingga 1000 MHz. Kemudian, konstanta dielektrik film Ti₃C₂T_x dan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dengan berbagai konsentrasi dan frekuensi Nb₂CT_x ditunjukkan dalam Gambar 3e. Dari Gambar 3e dapat dilihat bahwa seiring dengan peningkatan rasio dotasi dari 0 hingga 15 wt%, konstanta dielektrik meningkat dari 0,02 hingga 0,04. Dengan peningkatan rasio bobot lebih lanjut hingga 25 wt%, konstanta dielektrik menurun dari 0,03 hingga 0,02. Konstanta dielektrik film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian lebih tinggi dari film Ti₃C₂T_x murni karena pembentukan jaringan mikrokapasitor antarmuka [21]. Pada konsentrasi yang lebih tinggi, konduktivitas antara Ti₃C₂T_x dan Nb₂CT_{x kemungkinan mengagregasi, membentuk jaringan konduktif dan sehingga merusak properti dielektrik film MXene berlapis bergantian. Oleh karena itu, kebocoran listrik dapat mengakibatkan penurunan performa output [41]. Hasilnya mengungkapkan bahwa konstanta dielektrik maksimum diperoleh dengan konsentrasi Nb₂CT_x sebesar 15 wt%, yang memiliki konsistensi yang baik dengan hasil listrik dalam Gambar 3b-d. Dengan kata lain, seiring dengan peningkatan konstanta dielektrik, konten Nb₂CT_x lebih meningkatkan performa triboelektrik.}

Untuk memperjelas lebih lanjut hubungan teoretis antara output AM-TENG dan konsentrasi pengisi, TENG dapat direduksi menjadi model kapasitor datar pada File Tambahan 1: Gambar S6. Kekuatan medan dalam 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)

Di dalam celah udara

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

$\upsigma _{c}$ adalah kepadatan muatan permukaan. Jarak (x) dari dua lapisan triboelektrik bervariasi dengan gaya mekanis, dan $\upsigma _{I}$(x, t) adalah elektron bebas yang ditransfer dalam elektroda. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{o}$ adalah permitivitas vakum, dan d₁ dan d₂ adalah ketebalan materi dielektrik. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ dan ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}$ adalah konstanta dielektrik relatif dari dielektrik 1 dan konstanta dielektrik relatif dari dielektrik 2, masing-masing.

Tegangan di 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 rangkaian pendek 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 kepadatan muatan yang ditransfer $\upsigma _{I}$ meningkat seiring dengan peningkatan kepadatan muatan triboelektrik $\upsigma _{c}$ pada permukaan dielektrik dan permitivitas dielektrik ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ dan ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$, masing-masing. Menurut rumus, output listrik meningkat seiring dengan peningkatan konstanta dielektrik materi dielektrik yang secara tegas mendukung hasil eksperimental dalam Gambar 3.

Untuk memperkirakan lebih lanjut properti gesekan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian, film PTFE komersial dengan grup fungsi -F yang sama dibandingkan. Dalam kondisi pengujian yang sama, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4a–c, I_pp-sc sebesar 8,65 μA/cm², V_oc sebesar 37,63 V, dan Q_sc sebesar 13,24 nC, masing-masing, adalah 4,3 kali, 3,3 kali, dan 3,0 kali dari film PTFE komersial. Ini menggambarkan bahwa film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian adalah materi triboelektrik yang menjanjikan. Gambar 4d menggambarkan kepadatan arus dan tegangan berdasarkan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dengan 15 wt% Nb₂CT_x sebagai fungsi dari resistansi beban eksternal yang bervariasi dari 0,01 hingga 80 MΩ. Jelas, kepadatan arus pendek menurun seiring dengan peningkatan resistansi beban eksternal yang terhubung, sementara V_oc mengikuti tren yang meningkat. Daya instan TENG diperoleh dengan menghitung tegangan beban dan kepadatan arus yang diukur dengan resistor. Daya puncak TENG sekitar 0,10 mW/cm² dengan resistansi beban 5 MΩ (Gambar 4e). Kami juga mengeksplorasi aplikasi praktis TENG sebagai pemanen energi dan suplai daya. Setelah pengarah, tegangan yang dapat disimpan dengan mengisi kapasitor 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF, dan 10,0 μF selama 180 s adalah 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V, dan 0,22 V, masing-masing (Gambar 4f).

Selanjutnya, AM-TENG dapat memanen energi mekanis dari gerakan manusia sederhana dan mengubahnya menjadi sinyal listrik. V_oc perangkat di bawah berbagai gerakan manusia, seperti menggunakan mouse, mengirim pesan teks, mengetik, memukul tangan, mengetuk tangan, dan memukul tangan, dicatat. Seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 5a dan File Tambahan 2: video 1 dalam Informasi Pendukung, penggunaan mouse yang berkelanjutan menghasilkan V_oc sebesar 2,45 V. Kemudian, ketika menggeser dan mengirim pesan teks pada ponsel seluler (Gambar 5b dan File Tambahan 3: Video 2), hasilnya menunjukkan bahwa V_oc sebesar 2,46 V diperoleh. Selanjutnya, seperti yang digambarkan dalam Gambar 5c dan 5d (File Tambahan 4, 5: Video 3 dan 4), memukul kaki tangan dan mengetuk kaki tangan menghasilkan V_oc sebesar 9,30 V dan 18,68 V, masing-masing. Kemudian, dari Gambar 5e dan File Tambahan 6: Video 5, diverifikasi bahwa mengetuk kaki tangan menghasilkan V_oc sebesar 18,72 V. Akhirnya, dalam Gambar 5f (File Tambahan 7: Video 6), V_oc sebesar 27,61 V dihasilkan oleh memukul tangan. Untuk meringkas, telah menjadi jelas bahwa AM-TENG memiliki potensi aplikasi yang besar dalam aplikasi portabel.

Kesimpulan

Secara ringkasan, TENG berkinerja tinggi berdasarkan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian dengan grup -F yang melimpah melalui penyusunan lapis demi lapis berhasil diproduksi. Perkenalan interlayer Nb₂CT_x tidak hanya menjamin mikrostruktur intrinsik yang seragam dari film komposit dan menyediakan lebih banyak saluran nano untuk grup -F yang efektif, tetapi juga meningkatkan konstanta dielektrik. Seiring dengan peningkatan jumlah Nb₂CT_x hingga 15 wt%, TENG berdasarkan film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian mencapai output maksimum. Kepadatan arus pendek dan tegangan sebesar 8,06 μA/cm² dan 34,63 V adalah 8,4 kali dan 3,5 kali dari film Ti₃C₂T_x murni dan 4,3 kali dan 3,3 kali dari film poly(tetrafluoroethylene) (PTFE) komersial. Selain itu, TENG yang diproduksi dapat ditempelkan pada tubuh manusia untuk memanen energi dari gerakan manusia sederhana, seperti mengetik, mengirim pesan teks, dan memukul tangan. Hasilnya menunjukkan bahwa film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian melalui penyusunan lapis demi lapis dapat memiliki performa triboelektrik yang luar biasa, yang melengkapi keluarga materi triboelektrik dan menyediakan pilihan baru untuk TENG output tinggi.

Ketersediaan Data dan Bahan

Semua data sepenuhnya tersedia tanpa pembatasan.

Singkatan

TENG:: Nanogenerator Triboelektrik
F:: Grup Fluor
PTFE:: Poly(tetrafluoroethylene)
2D:: Dua Dimensi
AM-TENG:: TENG berbasis film komposit nanosheet MXene berlapis bergantian
XRD:: Difraktometer Sinar-X
SEM:: Mikroskop Elektron Pemindai
EDS:: Spektroskopi Sinar-X Dispersi Energi
I-PrA:: Isopropilamina
V_oc:: Tegangan Rangkaian Terbuka
I_sc:: Kepadatan Arus Pendek
Q_sc:: Kepadatan Muatan yang Ditransfer

Nanodiamond Emisi Hijau Berkualitas Tinggi yang Diciptakan oleh Sintering HPHT dari Prekursor Diaman Polikristal yang Dihasilkan Gelombang Kejut Modulator Elektro-Absorpsi Grafen Mid-IR Independen Polarisasi pada Gelombang Kaca Chalkogenida

bahan nano