Трибоэлектрический наногенератор на основе композитной пленки MXene с альтернативными слоями и улучшенными электрическими характеристиками

Введение

Поскольку глобальная температура продолжает повышаться, разработка экологически чистых технологий получения энергии является неотложной. TENG, основанный на эффекте связи контактной зарядки и электростатической индукции, считается мощной технологией, которая эффективно преобразует механическую энергию окружающей среды в электрическую [1,2,3]. До сих пор различные типы TENG широко исследовались из-за преимуществ легкости, простоты изготовления, выбора различных материалов и высокой эффективности преобразования энергии [4,5,6]. Хотя теории и эксперименты подтвердили, что характеристики TENG могут быть улучшены за счет оптимизации трибоэлектрических материалов, изготовление TENG с высокой выходной мощностью по-прежнему остается серьезной проблемой. Несколько предыдущих исследований показали, что некоторые специальные функциональные группы (–F [7], –NH ₂ [8], –CH ₃ [9]) может повлиять на способность трибоэлектрических материалов приобретать или терять электроны и, таким образом, эффективно изменять характеристики контактной трибоэлектрификации TENG [10].

MXene, как новое семейство двумерных (2D) наноматериалов, представляет собой новый тип слоистых карбидов или нитридов переходных металлов, которые могут быть синтезированы путем селективного травления элементов «A» из предшественника MAX-фазы [11]. Общая формула MXenes - M _{n +1} X _n Т _x , где M, X и T _x представляют собой переходные металлы (такие как Sc, Ti, Zr, Hf, V и Nb), C или N ( n =1, 2 или 3) и различные концевые группы поверхности (–F, –OH, =O) соответственно [12,13,14]. Группы -F обладают самой сильной электроноакцепторной способностью, в то время как более высокая плотность группы -F приводит к более высокой плотности заряда [15]. Увеличение расстояния между слоями наноразмеров между нанолистами MXene с чередованием слоев будет эффективно увеличивать канал для групп -F, что способствует большему количеству групп -F, протекающих между нанолистами композитной пленки. Следовательно, ожидается, что MXenes будут идеальными отрицательными трибоэлектрическими материалами для TENG. Следовательно, ожидается, что MXenes станут идеальными отрицательными трибоэлектрическими материалами для TENG [16,17,18]. Полностью электроспряденный поли (виниловый спирт) / Ti ₃ С ₂ Т _x Сообщается, что гибкий TENG на основе нановолокна, включение Ti ₃ С ₂ Т _x значительно улучшили диэлектрические свойства и, таким образом, улучшили трибоэлектрические выходные характеристики [19]. Между тем, Wang et al. представить полидиметилсилоксановые нанокомпозиты с трехмерными взаимосвязанными Ti ₃ С ₂ Т _x служил отрицательным трибоэлектрическим материалом, который мог быть получен методами однонаправленной сублимационной сушки и вакуумной пропитки [20]. Cao et al. сообщить об очень гибком и высокоэффективном водонепроницаемом ТЭНе на основе новой ткани Ti ₃ С ₂ Т _x / Нанокомпозит Ecoflex для универсального сбора энергии от различных движений человека [21].

Однако, как и многие другие 2D-материалы, производительность MXene затруднена из-за его агрегации [22], что приводит к ограниченным наноканалам для группы -F [23]. Чтобы в полной мере использовать их электрохимические свойства, Ti ₃ С ₂ Т _x Сообщалось о нанолистах, содержащих пористую структуру и межслойные прокладки [24]. Введение межслоевых прокладок [25,26,27] (таких как графен [28], полимер [29, 30], оксид графена [31] и наночастицы оксида металла [32]) в MXene также значительно улучшило выходные характеристики TENG. .

В данном случае многослойная структура применяется для проектирования и изготовления композитных пленок MXene с чередованием слоев с обильной группой -F и однородной внутренней микроструктурой. Nb ₂ CT _x нанолисты выбраны в качестве спейсера из-за его более высокой электроотрицательности, чем наноматериалы на основе углерода, а Ti ₃ С ₂ Т _x служит сыпучим материалом из-за его высокой электроотрицательности. Подготовленные композитные нанолистовые пленки MXene с чередованием слоев могут эффективно уменьшить самоупаковку Ti ₃ . С ₂ Т _x нанолистов и увеличить расстояние между слоями Ti ₃ С ₂ Т _x нанолисты, которые обеспечат более эффективные наноканалы для группы -F. Было обнаружено, что такие многослойные композитные нанолистовые пленки MXene на основе TENG (AM-TENG) достигают наилучших характеристик при весовом соотношении 15% Nb ₂ CT _x . Максимальная плотность выходного тока и напряжение 8,06 мкА / см ² . и 34,63 В соответственно, что в 8,4 и 3,5 раза больше, чем у чистого Ti ₃ С ₂ Т _x пленки и в 4,1 раза и в 4,2 раза больше, чем у коммерческих пленок из ПТФЭ. Кроме того, способность TENG с чередующимися слоями композитных пленок MXene собирать энергию демонстрируется посредством зарядки конденсаторов. Эта работа демонстрирует новый тип трибоэлектрического материала для высокоэффективного сбора экологически чистой энергии.

Методы

Материалы

Все использованные химические вещества не подвергались дальнейшей очистке. Ti ₃ AlC ₂ и Nb ₂ Порошки AlC были приобретены у Shandong Xiyan new Materials Technology Co., Ltd. Изопропиламин был предоставлен Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Подготовка

Сначала 1,6 г LiF (Aladdin) растворяли в 20 мл раствора соляной кислоты (Sigma, 9 M). Затем 1,0 г Ti ₃ AlC ₂ медленно добавляли (в течение 10 мин) к указанной выше смеси в условиях непрерывного перемешивания. После этого реакция продолжалась в течение одного дня при температуре 35 ºС. В-третьих, приготовленную суспензию несколько раз промывали деионизированной водой, пока ее pH не достиг 6. Наконец, гомогенный Ti ₃ С ₂ Т _x раствор обрабатывали ультразвуком на ледяной бане в течение 1 часа и затем центрифугировали еще 1 час при 3500 об / мин. Всего 1 г Nb ₂ Порошок AlC добавляли постепенно (в течение 5 мин) в 10 мл 50 мас.% Раствора плавиковой кислоты. Затем раствор постоянно перемешивали в течение двух дней при 35 ° C для травления слоя Al от Nb ₂ . AlC. После центрифугирования и многократной промывки деионизированной водой собранные осадки с pH более 6 диспергировали в 10 мл раствора изопропиламина в течение одного дня при комнатной температуре для дальнейшей интеркаляции. После центрифугирования влажный осадок диспергировали в 100 мл деионизированной воды. Наконец, после 1-часовой стадии центрифугирования при скорости вращения 3500 об / мин гомогенный Nb ₂ CT _x раствор был получен.

Изготовление TENG

Изготовлен ТЭН, работающий в режиме разделения контактов. Сначала кусок медной фольги прикрепляли к акриловой доске, чтобы сформировать электрод квадратной формы размером 1 см × 1 см (длина × ширина). Затем в качестве фрикционного слоя использовалась нейлоновая пленка размером 1 см × 1 см, прикрепленная к медной фольге. Впоследствии, другой аналог с композитной пленкой из композитного материала MXene с чередующимися слоями в качестве фрикционного слоя был изготовлен в соответствии с теми же этапами. По сравнению с PTFE-TENG, единственная разница заключается в использовании композитной пленки MXene с чередованием слоев вместо коммерческих пленок PTFE. Выходное напряжение холостого хода, ток короткого замыкания и переносимый заряд композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев были измерены электрометрами Keithley 6517B. Линейный двигатель (Linmot E1100) использовался для обеспечения внешнего периодического запуска с частотой 2 Гц.

Характеристики материалов

Кристаллическая структура была охарактеризована на порошковом рентгеновском дифрактометре (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2 θ диапазон от 5 ° до 60 °) с излучением Cu Kɑ. Морфология нанолистов была подтверждена с помощью сканирующего электронного микроскопа (SEM, Hitachi SU8010), и картирование с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS) было выполнено на том же приборе (IXRF SYSTEMS). Рамановские спектры (LABRAM HR EVOLUTION) получали с помощью конфокального рамановского микроскопа с длиной волны возбуждения 532 нм и спектральной решеткой 1800 линий / мм. Спектры были получены путем фокусировки лазера через 50-кратный объектив. Измеритель LCR (Hioki, IM 3536) использовался для оценки диэлектрической проницаемости нанолистов.

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показана схематическая иллюстрация пошагового процесса изготовления композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев. Несколько слоев Ti ₃ С ₂ Т _x MXene были получены травлением прекурсоров Ti ₃ AlC ₂ с использованием раствора HCl / LiF [33] и обрабатывали ультразвуком на ледяной бане (рис. 1 I). Согласно рис. 1 II, атомные слои Al травились HF из Nb ₂ Фаза AlC MAX [27, 34,35,36]. Раствор изопропиламина (I-PrA) был интеркалирован между многослойным Nb ₂ CT _x для увеличения расстояния между слоями с последующим встряхиванием вручную для отслоения Nb ₂ CT _x в многослойные нанолисты [27]. В приобретенном Ti ₃ С ₂ Т _x нанолистов, атомы титана были расположены в плотноупакованной структуре, атомы углерода заполняли октаэдрические междоузлия, а T _x (–F, –OH, =O) находились на поверхности внешнего слоя Ti, образуя слоистую структуру типа «сэндвич». Аналогично для Nb ₂ CT _x , атомы ниобия заполнили октаэдрическую вершину, собирая слоистую структуру ABAB. Наблюдаемый эффект рассеяния Тиндаля на рис. 1 отражает то, что как Ti ₃ С ₂ Т _x раствор и Nb ₂ CT _x Раствор обладал отличной стабильностью и дисперсностью, что обещало однородность каждого слоя. Наконец, многослойные композитные нанолистовые пленки MXene были сконструированы путем укладки ABAB под вакуумную фильтрацию (дополнительный файл 1:Рисунок S1).

Схематическое изображение процесса изготовления композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев

Характеристики многослойных композитных нанолистовых пленок MXene представлены на рис. 2. Посредством травления расслоение атомов Al из Ti ₃ AlC _2, приобретенный многослойный Ti ₃ С ₂ Т _x выражает типичную слоистую структуру, которая подобна типичным MXenes, как показано на рис. 2a. Как показано на рис. 2b – f, массовые отношения композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев 5%, 10%, 15%, 20% и 25% имеют рыхлую многослойную структуру. Более того, когда Nb ₂ CT _x увеличивается с 5 до 10 мас.%, постепенно увеличивается наноразмерное межслоевое расстояние между нанолистами композитных пленок. От 15 до 25 мас.% Наноразмерное межслоевое расстояние между нанолистами в композитных пленках не претерпевает больших изменений. Таким образом, отслоившийся Ti ₃ С ₂ Т _x Нанолисты и нанолисты MXene с чередующимися слоями успешно изготовлены. Для объяснения степени однородного перемешивания Nb ₂ CT _x получены нанолисты в композитных нанолистовых пленках с чередованием слоев MXene, получены изображения поперечного сечения с помощью энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (EDS). Элементы Nb, Ti, O и F обнаруживаются во всей области сканирования, как показано на рис. 2h (и в дополнительном файле 1:рис. S2). Можно заметить, что элементы Nb и Ti имеют равное распределение в композитных пленках, показывая, что Ti ₃ С ₂ Т _x и Nb ₂ CT _x нанолисты укладываются равномерно. Для дальнейшего анализа фаз материала и изменения расстояния между слоями Ti ₃ С ₂ Т _x и Nb ₂ CT _x нанолисты, измерения на рентгеновском дифрактометре (XRD) проводились на чистом Ti ₃ С ₂ Т _x и композитные нанолистовые пленки MXene с чередованием слоев. Как подробно описано в Дополнительном файле 1:Рисунок S4a, после селективного травления и расслоения изготовленный чистый Ti ₃ С ₂ Т _x пленка имеет сильный дифракционный пик (002) при 7,15 °, что согласуется с ранее опубликованными результатами [11, 33, 37]. Как показано в Дополнительном файле 1:Рисунок S4b, можно видеть, что пик дифракции (002) сдвигается с 12,86 ° для Nb ₂ AlC MAX до 7,05 ° для Nb ₂ CT _x пленка за счет полного травления слоев атомов Al [27]. Результаты XPS отображаются в дополнительном файле 1:Рисунок S3. Спектр F 1 s попеременно-слоистого MXene на рис. S3b может быть деконволюционирован на два пика при 684,72 и 686,45 эВ, представляющих Ti-F и Al-F, соответственно. [15, 16] Результаты XRD также перечислены на рис. 2j. Сравнение чистого Ti ₃ С ₂ Т _x пленки и 5 мас.% многослойной композитной нанолистовой пленки MXene показывает, что интенсивность дифракционного пика (002) явно уменьшается, что указывает на введение Nb ₂ CT _x нанолисты. Как Nb ₂ CT _x содержание увеличивается с 10 до 15 мас.%, изменения угла дифракции постепенно уменьшаются, что означает, что межслоевые промежутки между слоями композитных нанолистовых пленок MXene постепенно увеличиваются из-за взаимодействия между Nb ₂ CT _x нанолисты и Ti ₃ С ₂ Т _x нанолисты. Однако с Nb ₂ CT _x При увеличении содержания от 20 до 25 мас.% угол дифракции постепенно увеличивается от 0,6170 до 0,7536 нм (в Дополнительном файле 1:Таблица S1). Результаты показывают, что из-за введения чрезмерного количества Nb ₂ CT _x нанолисты, Nb ₂ CT _x нанолисты и Ti ₃ С ₂ Т _x нанолисты накапливаются, и расстояние между слоями композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев уменьшается (с 0,7530 до 0,7371 нм). Результаты XRD согласуются с результатами SEM. Для дальнейшего подтверждения состава композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев был также проведен анализ комбинационного рассеяния света. На рисунке 2k показаны спектры комбинационного рассеяния Nb ₂ . CT _x , Ti ₃ С ₂ Т _x , и многослойные композитные нанолистовые пленки MXene с различным содержанием Nb ₂ CT _x содержание. Образцы иллюстрируют ожидаемые колебательные моды для Ti ₃ С ₂ Т _x (Рис. 2k). Пики при 157, 254, 423 и 615 см ⁻¹ присвоены E _г колебательные моды внеплоскостных колебаний атомов Ti и C в попеременно-слоистых композитных пленках MXene. Пик на 197 см ⁻¹ относится к A _g колебательные моды плоских атомов Ti, C и поверхностных функциональных групп [38]. По сравнению с чистым Ti ₃ С ₂ Т _x пленка, интенсивность и полуширина E _g пики композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев изменились, указывая на то, что плоские колебания Ti и C, поверхностные группы и расстояние между слоями все изменились [39], что можно отнести к реакции между Nb ₂ CT _x нанолисты и Ti ₃ С ₂ Т _x нанолисты.

а Типичное SEM-изображение Ti ₃ С ₂ Т _x фильм. Поперечное сечение СЭМ-изображения поперечного сечения многослойных композитных пленок MXene с Nb ₂ CT _x содержание: b 5 мас.%, c 10 мас.% d 15 мас.%, е 20 мас.%, f 25 мас.%. ч Данные картирования EDS для 15 мас.% Альтернативно-слоистой пленки MXene. j Рентгенограммы композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев. к Рамановские спектры Ti ₃ С ₂ Т _x и многослойные композитные нанолистовые пленки MXene с различными соотношениями

На рис. 3а показан рабочий механизм AM-TENG, который содержит контактную трибоэлектрификацию и электростатические индукции [40]. AM-TENG работает в режиме разделения контактов, где верхняя нейлоновая пленка и нижняя многослойная композитная нанолистовая пленка MXene работают как положительный и отрицательный диэлектрические слои соответственно. Электрические заряды, возникающие между двумя поверхностями трения, создают электрическое поле. Изменение расстояния создает изменяемое электрическое поле, за которым следует ток смещения между двумя электродами внешней цепи. Следовательно, поскольку триггер периодически срабатывает и запускается на TENG, электроны перемещаются вперед и назад во время периодического контакта и разделения, генерируя переменный ток через внешнюю цепь. Чтобы оценить роль Nb ₂ CT _x , электрический выход AM-TENG с Nb ₂ CT _x весовое соотношение составляло от 0 до 25%, включая напряжение холостого хода ( В _oc ), ток короткого замыкания ( I _sc ) плотность и плотность перенесенного заряда ( Q _sc ). TENG на основе композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев с одинаковой толщиной был измерен в тех же условиях, как показано на рис. 3b – d. Очевидно, что I _sc плотность, V _oc , и Q _sc 15 мас.% AM-TENG одновременно заметно увеличилось по сравнению с чистым Ti ₃ С ₂ Т _x фильм. Поскольку количество Nb ₂ CT _x увеличивается до 15% по весу, генерируемый выход I _sc плотность, V _oc , и Q _sc AM-TENG постепенно увеличиваются до 8,06 мкА / см ² , 34,63 В и 11,19 нКл соответственно, что в 8,4, 3,5 и 3,6 раза больше, чем у чистого Ti ₃ С ₂ Т _x пленка (0,96 мкА / см ² , 9,94 В и 3,08 нКл), как показано на рис. 3a и b. Однако, когда весовое количество Nb ₂ CT _x при дальнейшем увеличении с 15 до 25% I _sc плотность, V _oc , и Q _sc уменьшиться до 1,97 мкА / см ² , 19,74 В и 5,30 нКл соответственно. Дополнительный файл 1. На рисунке S5 показана тенденция изменения I _sc плотность, V _oc , и Q _sc с увеличением градиента Nb ₂ CT _x соотношение веса.

а Принципиальная схема АМ-ТЭНГ в режиме работы с разъединением контактов. б V _oc , c Я _sc плотность и d Q _sc сигналы AM-TENG с разным Nb ₂ CT _x содержимое при 2 Гц. е Диэлектрическая проницаемость многослойных композитных нанолистовых пленок MXene с различным содержанием Nb ₂ CT _x содержание

Для режима разделения контактов AM-TENG диэлектрическая постоянная является важным параметром, определяющим выходные характеристики. Таким образом, диэлектрическая проницаемость композитных нанолистовых пленок с чередованием слоев MXene была охарактеризована с помощью модели комплексной диэлектрической проницаемости в диапазоне частот от 0,1 до 1000 МГц. Тогда диэлектрическая проницаемость Ti ₃ С ₂ Т _x и многослойные композитные нанолистовые пленки MXene с различным содержанием Nb ₂ CT _x концентрации и частоты показаны на рис. 3д. Из рис. 3д видно, что при увеличении степени легирования от 0 до 15 мас.% Диэлектрическая проницаемость увеличивается от 0,02 до 0,04. При дальнейшем увеличении массового отношения до 25 мас.% Диэлектрическая проницаемость снижается с 0,03 до 0,02. Диэлектрическая проницаемость многослойной композитной нанолистовой пленки MXene выше, чем у чистого Ti ₃ . С ₂ Т _x пленка за счет образования межфазной сети микроконденсаторов [21]. При более высоких концентрациях проводимость между Ti ₃ С ₂ Т _x и Nb ₂ CT _x вероятно, агрегаты, образуя проводящую сеть и, следовательно, разрушая диэлектрические свойства пленки MXene с чередованием слоев. Следовательно, утечка электроэнергии может привести к снижению производительности [41]. Результаты показывают, что максимальная диэлектрическая проницаемость достигается при содержании 15 мас.% Nb ₂ CT _x концентрации, которая хорошо согласуется с электрическими результатами на рис. 3b-d. Другими словами, с увеличением диэлектрической проницаемости Nb ₂ CT _x контент еще больше повысил трибоэлектрические характеристики.

Чтобы дополнительно прояснить теоретическую взаимосвязь между выходом AM-TENG и концентрацией наполнителя, TENG может быть уменьшен до модели конденсатора с плоской панелью в Дополнительном файле 1:Рисунок S6. Напряженность электрического поля в воздушном зазоре и диэлектрике определяется по формуле [42]:

Внутренний диэлектрик 1

Внутренний диэлектрик 2

Внутренний воздушный зазор

\ (\ upsigma _ {c} \) - поверхностная плотность заряда. Расстояние ( x ) двух трибоэлектрических слоев изменяется в зависимости от механической силы, и \ (\ upsigma _ {I} \) (x, t) переносятся свободные электроны в электроде. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {o} \) - диэлектрическая проницаемость вакуума, а d ₁ и d ₂ - толщина диэлектрического материала. \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) и \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r2} \) - относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика 1 и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика. 2 соответственно.

Напряжение между двумя электродами можно определить как

В условиях короткого замыкания и V =0

Уравнение (5) показывает, что плотность переносимого заряда \ (\ upsigma _ {I} \) увеличивается с увеличением плотности трибоэлектрического заряда \ (\ upsigma _ {c} \) на поверхности диэлектрика и диэлектрической проницаемости диэлектрика \ ( {{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) и \ ({{\ varvec {\ upvarepsilon}}} _ {r1} \) соответственно. Согласно формуле, электрическая мощность увеличивается по мере увеличения диэлектрической проницаемости диэлектрического материала, что твердо подтверждает экспериментальные результаты на рис. 3.

Для дальнейшей оценки фрикционных свойств композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев сравнивали коммерческую пленку из ПТФЭ с той же функциональной группой -F. В тех же условиях испытаний, как показано на рис. 4a – c, I _pp-sc 8,65 мкА / см ² , V _oc 37,63 В и Q _sc 13,24 нКл, соответственно, в 4,3, 3,3 и 3,0 раза больше, чем у коммерческой пленки из ПТФЭ. Это показывает, что композитная нанолистовая пленка MXene с чередованием слоев является многообещающим трибоэлектрическим материалом. На рисунке 4d показаны плотность тока и напряжение на основе композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев с 15 мас.% Nb ₂ . CT _x в зависимости от сопротивления внешней нагрузки от 0,01 до 80 МОм. Очевидно, что плотность тока короткого замыкания уменьшается с увеличением подключенного внешнего сопротивления, в то время как V _oc следует растущей тенденции. Мгновенная мощность TENG получается путем расчета измеренного напряжения нагрузки и плотности тока с резисторами. Соответствующая пиковая мощность TENG составляет около 0,10 мВт / см ² . при сопротивлении нагрузки 5 МОм (рис. 4д). Мы также изучили практическое применение TENG в качестве устройства для сбора энергии и источника питания. После выпрямления напряжения, которые могут сохраняться при зарядке конденсаторов 1,0 мкФ, 2,2 мкФ, 3,3 мкФ, 4,7 мкФ и 10,0 мкФ в течение 180 с, составляют 2,92 В, 1,92 В, 1,29 В, 1,06 В, 0,48 В и 0,22 В соответственно. (Рис. 4f).

Выходные характеристики AM-TENG на основе композитной пленки с 15% Nb ₂ CT _x содержание или коммерческая пленка PTFE. а V _oc , b Я _sc плотность и c Q _sc . г Плотность выходного тока и напряжение и е удельная мощность ам-ТЭНГ на основе композитной пленки с 15 мас.% Nb ₂ CT _x содержание как функция сопротивления внешней нагрузки. е Анализ характеристик заряда композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев при различных емкостях

Кроме того, AM-TENG может собирать механическую энергию от простых движений человека и преобразовывать их в электрические сигналы. V _oc устройства при различных движениях человека, таких как использование мыши, текстовые сообщения, набор текста, удары руками, постукивание руками и хлопки в ладоши. Как показано на рис. 5a и в дополнительном файле 2:видео 1 во вспомогательной информации, непрерывное использование мыши приводит к появлению V _oc 2,45 В. Затем при скольжении и отправке текстовых сообщений на мобильном телефоне (рис. 5b и дополнительный файл 3:видео 2) результат показывает, что V _oc было получено 2,46 В. Впоследствии, как показано на рис. 5c и 5d (дополнительные файлы 4, 5:видео 3 и 4), удары руками по ногам и постукивания руками по ногам создают V _oc 9,30 В и 18,68 В соответственно. А затем, из Рис. 5e и Дополнительного файла 6:Видео 5, подтверждается, что при постукивании рукой по ногам получается V _oc 18,72 В. Наконец, на рис. 5f (дополнительный файл 7:видео 6), V _oc 27,61 В генерируется хлопками в ладоши. Подводя итог, стало очевидно, что AM-TENG имеет огромный потенциал применения в портативных приложениях.

V _oc сигналы AM-TENG при различных состояниях движения. а Используя мышь, b Текстовые сообщения, c Печатание, д Пощечина, е Нажатие рукой, f Хлопания в ладоши

Заключение

Таким образом, был успешно изготовлен высокопроизводительный TENG на основе многослойных композитных нанолистовых пленок MXene с обильным количеством -F-группой посредством послойного наложения. Введенный Nb ₂ CT _x промежуточные слои не только обеспечивают однородную внутреннюю микроструктуру композитных пленок и обеспечивают больше наноканалов для эффективных групп -F, но также увеличивают диэлектрическую проницаемость. Когда количество Nb ₂ CT _x увеличивается до 15 мас.%, TENG на основе композитных нанолистовых пленок MXene с чередованием слоев обеспечивает максимальный выход. Плотность тока короткого замыкания и напряжение 8,06 мкА / см ² и 34,63 В, что в 8,4 и 3,5 раза больше, чем у чистого Ti ₃ С ₂ Т _x пленки и в 4,3 раза и в 3,3 раза больше, чем у коммерческой пленки из поли (тетрафторэтилена) (ПТФЭ). Кроме того, изготовленный TENG может быть прикреплен к человеческому телу для сбора энергии от простых человеческих движений, таких как набор текста, текстовые сообщения и хлопки в ладоши. Результаты демонстрируют, что композитные нанолистовые пленки MXene с чередованием слоев путем послойного наложения могут обладать замечательными трибоэлектрическими характеристиками, которые обогащают семейство трибоэлектрических материалов и обеспечивают новый выбор для TENG с высокой выходной мощностью.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

TENG:

Трибоэлектрический наногенератор

F:

Группы фтора

ПТФЭ:

Поли (тетрафторэтилен)

2D:

Двумерный

AM-TENG:

Альтернативно-слоистые композитные нанолистовые пленки MXene на основе ТЭНГ

XRD:

Рентгеновский дифрактометр

SEM:

Сканирующий электронный микроскоп

EDS:

Энергодисперсионный рентгеновский спектроскоп

I-PrA:

Изопропиламин

V _oc :

Напряжение холостого хода

I _sc :

Плотность тока короткого замыкания

Q _sc :

Плотность перенесенного заряда