Nanogénérateur triboélectrique à base de film composite MXene à couches alternatives avec des performances électriques améliorées

Introduction

Alors que la température mondiale continue d'augmenter, il est urgent de développer des technologies de récupération d'énergie verte. Le TENG basé sur l'effet de couplage de la charge par contact et de l'induction électrostatique est considéré comme une technologie puissante qui convertit efficacement l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique [1,2,3]. Jusqu'à présent, divers types de TENG ont été largement étudiés en raison des avantages de la légèreté, de la fabrication facile, de la sélection de divers matériaux et de l'efficacité de conversion d'énergie élevée [4,5,6]. Bien que les théories et les expériences aient vérifié que les performances du TENG pouvaient être améliorées en optimisant les matériaux triboélectriques, la fabrication du TENG avec une puissance de sortie élevée reste un défi important. Plusieurs études antérieures montrent que certains groupes fonctionnels particuliers (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) pourrait affecter la capacité des matériaux triboélectriques à gagner ou à perdre des électrons et ainsi moduler efficacement les performances de triboélectrification par contact du TENG [10].

Le MXene, en tant que nouvelle famille de nanomatériaux bidimensionnels (2D), est un nouveau type de carbures ou de nitrures de métaux de transition en couches qui pourraient être synthétisés en gravant sélectivement des éléments "A" à partir de sa phase précurseur MAX [11]. La formule générale de MXenes est M_{n +1} X_n T_x , où M, X et T_x représentent les métaux de transition (tels que Sc, Ti, Zr, Hf, V et Nb), C ou N (n = 1, 2 ou 3), et divers groupes terminaux de surface (–F, –OH, = O), respectivement [12,13,14]. Les groupes -F possèdent la plus forte capacité d'attraction d'électrons, tandis que la densité plus élevée du groupe -F entraîne une densité de charge plus intense [15]. L'augmentation de l'espacement intercouche à l'échelle nanométrique entre les nanofeuillets de MXene en couches alternées augmentera efficacement le canal des groupes -F, ce qui est propice à un plus grand nombre de groupes -F circulant entre les nanofeuilles de film composite. Par conséquent, les MXenes sont attendus comme matériaux triboélectriques négatifs idéaux pour les TENG. Par conséquent, les MXenes sont attendus comme matériaux triboélectriques négatifs idéaux pour les TENG [16,17,18]. Tout le poly(alcool vinylique) électrofilé/Ti₃ C₂ T_x TENG flexible à base de nanofibres a été rapporté que l'incorporation de Ti₃ C₂ T_x a considérablement amélioré la propriété diélectrique et ainsi amélioré les performances de sortie triboélectrique [19]. Pendant ce temps, Wang et al. présentent des nanocomposites de polydiméthylsiloxane avec Ti₃ interconnectés en trois dimensions C₂ T_x a servi de matériau triboélectrique négatif, qui pourrait être préparé par des méthodes de lyophilisation unidirectionnelle et d'imprégnation assistée par vide [20]. Cao et al. rapportent un TENG imperméable très flexible et performant basé sur un nouveau tissu Ti₃ C₂ T_x /Nanocomposite Ecoflex pour la récupération d'énergie universelle à partir de divers mouvements humains [21].

Cependant, comme de nombreux autres matériaux 2D, les performances du MXene sont entravées en raison de son agrégation [22], ce qui entraîne des nanocanaux limités pour le groupe -F [23]. Pour exploiter pleinement leurs propriétés électrochimiques, Ti₃ C₂ T_x des nanofeuillets contenant une structure poreuse et des espaceurs intercalaires ont été rapportés [24]. L'introduction d'espaceurs intercouches [25,26,27] (tels que le graphène [28], le polymère [29, 30], l'oxyde de graphène [31] et les nanoparticules d'oxyde métallique [32]) dans le MXene a également considérablement amélioré les performances de sortie du TENG .

Ici, la structure de couches empilées est adoptée pour concevoir et fabriquer des films composites MXene à couches alternées avec un groupe -F abondant et une microstructure intrinsèque uniforme. Le Nb₂ CT_x les nanofeuillets sont choisis comme espaceur en raison de leur électronégativité plus élevée que les nanomatériaux à base de carbone, et Ti₃ C₂ T_x sert de matériau en vrac en raison de sa haute électronégativité. Les films de nanofeuilles composites MXene en couches alternées peuvent réduire efficacement l'auto-réempilement de Ti₃ C₂ T_x nanofeuilles et augmenter l'espacement intercalaire entre Ti₃ C₂ T_x nanofeuilles, qui fourniront des nanocanaux plus efficaces pour le groupe -F. Il a été constaté qu'un tel TENG (AM-TENG) à base de films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées obtenait les meilleures performances avec un rapport pondéral de 15 % Nb₂ CT_x . La densité de courant de sortie et la tension maximales sont de 8,06 μA/cm ² et 34,63 V, respectivement, qui sont 8,4 fois et 3,5 fois supérieures à celle du Ti₃ pur C₂ T_x films et 4,1 fois et 4,2 fois supérieur à celui des films PTFE commerciaux. De plus, la capacité de récupération d'énergie du TENG à base de films composites MXene à couches alternées est démontrée par la charge de condensateur. Ce travail démontre un nouveau type de matériau triboélectrique pour une récupération d'énergie verte très efficace.

Méthodes

Matériaux

Tous les produits chimiques utilisés n'ont pas été purifiés davantage. Ti₃ AlC₂ et Nb₂ Les poudres d'AlC ont été achetées auprès de Shandong Xiyan new Materials Technology Co., Ltd. L'isopropylamine a été fournie par Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Préparations

Tout d'abord, 1,6 g de LiF (Aladdin) a été dissous dans 20 mL d'acide chlorhydrique (Sigma, 9 M). Ensuite, 1,0 g de Ti₃ AlC₂ a été ajouté lentement (en moins de 10 minutes) au mélange ci-dessus dans des conditions d'agitation continue. Ensuite, la réaction s'est poursuivie pendant un jour à une température de 35 ℃. Troisièmement, la suspension préparée a été lavée avec de l'eau déminéralisée plusieurs fois jusqu'à ce que son pH atteigne 6. Enfin, le Ti₃ homogène C₂ T_x la solution a été soniquée sous bain de glace pendant 1 h et a été encore centrifugée pendant 1 h à 3 500 tr/min. Un total de 1 g de Nb₂ La poudre d'AlC a été ajoutée progressivement (en 5 minutes) dans 10 ml de solution fluorhydrique à 50 % en poids. Ensuite, la solution a été constamment agitée pendant deux jours à 35 °C pour graver la couche d'Al de Nb₂ AlC. Après centrifugation et lavages répétés avec de l'eau déminéralisée, les sédiments collectés avec un pH supérieur à 6 ont été dispersés dans 10 mL de solution d'isopropylamine pendant un jour à température ambiante pour une intercalation supplémentaire. Après centrifugation, le sédiment humide a été dispersé dans 100 mL d'eau déminéralisée. Enfin, après une étape de centrifugation de 1 h à une vitesse de rotation de 3 500 tr/min, le Nb₂ homogène CT_x solution a été obtenue.

Fabrication de TENG

Le TENG fonctionnant en mode contact-séparation a été fabriqué. Tout d'abord, un morceau de feuille de cuivre a été fixé sur un panneau acrylique pour former une électrode de forme carrée d'une taille de 1 cm × 1 cm (longueur × largeur). Ensuite, un film de nylon de 1 cm × 1 cm attaché à la feuille de Cu a été utilisé comme couche de friction. Par la suite, l'autre contrepartie avec un film composite MXene à couches alternées comme couche de friction a été fabriquée selon les mêmes étapes. Par rapport au PTFE-TENG, la seule différence est l'utilisation d'un film composite MXene à couches alternées au lieu de films PTFE commerciaux. La tension de sortie en circuit ouvert, le courant de court-circuit et la charge de transfert des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées ont été mesurés par des électromètres Keithley 6517B. Un moteur linéaire (Linmot E1100) a été appliqué pour fournir un déclencheur périodique externe à la fréquence de 2 Hz.

Caractérisation des matériaux

La structure cristalline a été caractérisée par un diffractomètre à rayons X sur poudre (XRD, Ultima IV, Japanese Science, 2θ de 5° à 60°) avec un rayonnement Cu Kɑ. La morphologie des nanofeuillets a été confirmée en utilisant un microscope électronique à balayage (SEM, Hitachi SU8010), et une cartographie par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie (EDS) a été réalisée sur le même instrument (IXRF SYSTEMS). Les spectres Raman (LABRAM HR EVOLUTION) ont été acquis à l'aide d'un microscope confocal Raman avec une longueur d'onde d'excitation de 532 nm et un réseau spectral de 1800 raies/mm. Les spectres ont été acquis en focalisant le laser à travers un objectif de 50 × . Un compteur LCR (Hioki, IM 3536) a été utilisé pour évaluer la constante diélectrique des nanofeuillets.

Résultats et discussion

La figure 1 montre une illustration schématique du processus de fabrication étape par étape des films de nanofeuilles composites MXene en couches alternées. Quelques couches de Ti₃ C₂ T_x Les MXene ont été préparés par gravure de précurseurs Ti₃ AlC₂ en utilisant une solution de HCl/LiF [33] et ont été soniqués sous bain de glace (Fig. 1 I). D'après la Fig. 1 II, les couches atomiques d'Al ont été gravées par HF à partir de Nb₂ Phase AlC MAX [27, 34, 35, 36]. Une solution d'isopropylamine (I-PrA) a été intercalée entre des multicouches Nb₂ CT_x pour agrandir l'espacement intercalaire, suivi d'une agitation manuelle pour décoller Nb₂ CT_x en nanofeuillets à quelques couches [27]. Dans le Ti₃ acquis C₂ T_x nanofeuillets, les atomes de titane étaient disposés dans une structure compacte, les atomes de carbone remplissaient les sites interstitiels octaédriques et T_x (–F, –OH, = O) étaient à la surface de la couche externe de Ti, qui forment une structure sandwich en couches. De même, pour Nb₂ CT_x , les atomes de niobium remplissent la position du sommet octaédrique, assemblant une structure ABAB en couches. L'effet de diffusion Tyndall observé sur la figure 1 reflète que Ti₃ C₂ T_x solution et Nb₂ CT_x La solution avait une excellente stabilité et dispersité, ce qui promettait l'uniformité de chaque couche. Enfin, les films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées ont été construits par empilement ABAB sous filtration sous vide (Fichier supplémentaire 1 :Figure S1).

Illustration schématique du processus de fabrication de films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées

Les caractérisations des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées sont présentées dans la Fig. 2. Par gravure de la stratification d'atomes d'Al à partir de Ti₃ AlC_2, le Ti₃ acquis à quelques couches C₂ T_x exprime une structure stratifiée typique, qui est tout comme les MXenes typiques, comme indiqué sur la Fig. 2a. Comme le montrent les figures 2b–f, les rapports pondéraux des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées de 5 %, 10 %, 15 %, 20 % et 25 % ont une structure multicouche lâche. De plus, lorsque Nb₂ CT_x la teneur augmente de 5 à 10 % en poids, l'espacement intercouche à l'échelle nanométrique entre les nanofeuillets des films composites augmente progressivement. De 15 à 25 % en poids, l'espacement intercouche à l'échelle nanométrique entre les nanofeuillets dans les films composites n'a pas beaucoup changé. Ainsi, le Ti₃ délaminé C₂ T_x des nanofeuillets et des nanofeuillets de MXene en couches alternées sont préparés avec succès. Pour expliquer le degré de mélange homogène de Nb₂ CT_x des nanofeuilles dans les films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées, des images cartographiques de la section transversale par spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS). Les éléments Nb, Ti, O et F sont détectés dans toute la région scannée, comme le montre la figure 2h (et le fichier supplémentaire 1 :figure S2). On peut observer que les éléments Nb et Ti ont une répartition égale dans les films composites, montrant que Ti₃ C₂ T_x et Nb₂ CT_x les nanofeuilles sont empilées uniformément. Afin d'analyser plus en détail les phases du matériau et le changement d'espacement intercouche entre Ti₃ C₂ T_x et Nb₂ CT_x nanofeuillets, des mesures par diffractomètre à rayons X (XRD) ont été effectuées sur Ti₃ pur C₂ T_x et des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées. Comme détaillé dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4a, après gravure sélective et délaminage, le Ti₃ pur fabriqué C₂ T_x le film présente un fort pic de diffraction (002) à 7,15 °, ce qui est cohérent avec les résultats précédemment rapportés [11, 33, 37]. Comme le montre le fichier supplémentaire 1 :Figure S4b, on peut voir que le pic de diffraction (002) passe de 12,86° pour Nb₂ AlC MAX à 7,05° pour Nb₂ CT_x film dû à la gravure complète des couches d'atomes d'Al [27]. Les résultats XPS sont affichés dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S3. Le spectre F 1 du MXene en couches alternées de la figure S3b peut être déconvolué en deux pics à 684,72 et 686,45 eV, représentant respectivement Ti-F et Al-F. [15, 16] Les résultats XRD sont également répertoriés dans la figure 2j. Comparaison entre le Ti₃ pur C₂ T_x et 5 % en poids de film de nanofeuille composite MXene à couches alternées montre que l'intensité du pic de diffraction (002) diminue évidemment, ce qui indique l'introduction de Nb₂ CT_x nanofeuillets. Comme le Nb₂ CT_x les contenus augmentent de 10 à 15 % en poids, les changements dans l'angle de diffraction diminuent progressivement, ce qui signifie que l'espacement intercouche des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées augmente progressivement en raison de l'interaction entre Nb₂ CT_x nanofeuillets et Ti₃ C₂ T_x nanofeuillets. Cependant, avec le Nb₂ CT_x teneur augmentant de 20 à 25 % en poids, l'angle de diffraction augmente progressivement de 0,6170 à 0,7536 nm (dans le fichier supplémentaire 1 :tableau S1). Les résultats révèlent qu'en raison de l'introduction excessive de Nb₂ CT_x nanofeuillets, Nb₂ CT_x nanofeuillets et Ti₃ C₂ T_x les nanofeuillets s'accumulent et l'espacement entre les couches des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées est réduit (de 0,7530 à 0,7371 nm). Les résultats XRD sont cohérents avec les résultats SEM. Pour confirmer davantage la composition des films de nanofeuilles composites MXene en couches alternées, une analyse Raman a également été effectuée. La figure 2k montre les spectres Raman du Nb₂ CT_x , Ti₃ C₂ T_x , et des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec différents Nb₂ CT_x Contenu. Les exemples illustrent les modes vibrationnels attendus pour Ti₃ C₂ T_x (Fig. 2k). Pics à 157, 254, 423 et 615 cm ⁻¹ sont affectés à E _g modes vibrationnels des vibrations hors du plan des atomes de Ti et de C dans les films composites de MXene à couches alternées. Le pic à 197 cm ⁻¹ est attribué à A _g modes vibrationnels des atomes du groupe fonctionnel Ti, C et de surface dans le plan [38]. Par rapport au Ti₃ pur C₂ T_x film, l'intensité et la demi-largeur du E _g Le pic des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées a changé, indiquant que les vibrations Ti et C dans le plan, les groupes de surface et l'espacement intercouche ont tous changé [39], ce qui pourrait être attribué à la réaction entre Nb_{2 CTx nanofeuillets et Ti3 C2 Tx nanofeuilles.}

un L'image SEM typique du Ti₃ C₂ T_x film. Image SEM en coupe transversale de la coupe transversale de films composites MXene à couches alternées avec Nb₂ CT_x contenu :b 5 % en poids, c 10 % en poids d 15 % en poids, e 20 % en poids, f 25 % en poids. h Données de cartographie EDS d'un film MXene à couches alternées à 15 % en poids. j Modèles XRD des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées. k Spectres Raman du Ti₃ C₂ T_x et films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec divers rapports

La figure 3a montre le mécanisme de fonctionnement de l'AM-TENG, qui contient une triboélectrification de contact et des inductions électrostatiques [40]. L'AM-TENG fonctionne en mode de séparation de contact, où le film de nylon supérieur et le film de nanofeuille composite MXene à couches alternées inférieures fonctionnent respectivement comme couches diélectriques positive et négative. Les charges électriques générées entre les deux surfaces de friction créent un champ électrique. Le changement de distance crée un champ électrique altérable, suivi d'un courant de déplacement entre les deux électrodes du circuit externe. Par conséquent, lorsque le déclencheur est périodiquement appliqué et libéré sur le TENG, les électrons vont et viennent pendant le contact et la séparation périodiques, générant un courant alternatif à travers le circuit externe. Evaluer le rôle du Nb₂ CT_x , la puissance électrique de AM-TENG avec le Nb₂ CT_x rapport pondéral allant de 0 à 25 % a été réalisé, y compris la tension en circuit ouvert (V _oc ), courant de court-circuit (I _sc ) densité et densité de charge transférée (Q _sc ). Le TENG basé sur les films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec la même épaisseur a été mesuré dans les mêmes conditions, comme le montre la figure 3b–d. Évidemment, on peut voir que Je _sc densité, V _oc , et Q _sc de 15 % en poids d'AM-TENG a augmenté simultanément de manière remarquable par rapport à celui du Ti₃ pur C₂ T_x film. Comme le montant du Nb₂ CT_x augmente à 15 % en poids, la sortie générée I _sc densité, V _oc , et Q _sc de l'AM-TENG augmenter progressivement jusqu'à 8,06 μA/cm ² , 34,63 V et 11,19 nC, respectivement, qui sont 8,4 fois, 3,5 fois et 3,6 fois supérieures à celle du Ti₃ pur C₂ T_x film (0,96 μA/cm ² , 9,94 V et 3,08 nC), comme décrit dans les Fig. 3a et b. Cependant, lorsque la quantité de poids de Nb₂ CT_x augmente encore de 15 à 25 %, le I _sc densité, V _oc , et Q _sc diminuer à 1,97 μA/cm ² , 19,74 V et 5,30 nC, respectivement. Fichier supplémentaire 1 :La figure S5 résume la tendance de variation de I _sc densité, V _oc , et Q _sc avec l'augmentation du gradient de Nb₂ CT_x rapport de poids.

un Schéma de principe de l'AM-TENG en mode de fonctionnement à séparation de contact. b V _oc , c Je _sc densité, et d Q _sc signaux de AM-TENG avec différents Nb₂ CT_x contenu à 2 Hz. e Constante diélectrique de films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec différents Nb₂ CT_x contenu

Pour le mode de séparation de contact de l'AM-TENG, la constante diélectrique est un paramètre important pour déterminer les performances de sortie. Par conséquent, la constante diélectrique des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées a été caractérisée par un modèle de permittivité complexe dans la plage de fréquences de 0,1 à 1 000 MHz. Ensuite, la constante diélectrique du Ti₃ C₂ T_x et films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec différents Nb₂ CT_x les concentrations et les fréquences sont illustrées à la Fig. 3e. On peut voir sur la figure 3e que lorsque le taux de dopage augmente de 0 à 15 % en poids, la constante diélectrique augmente de 0,02 à 0,04. Le rapport pondéral augmentant encore jusqu'à 25 % en poids, la constante diélectrique diminue de 0,03 à 0,02. La constante diélectrique du film de nanofeuille composite MXene à couches alternées est supérieure à celle du Ti₃ pur C₂ T_x film en raison de la formation du réseau interfacial de microcondensateurs [21]. À des concentrations plus élevées, le conducteur entre Ti₃ C₂ T_x et Nb₂ CT_x des agrégats probables, formant un réseau conducteur et détruisant ainsi les propriétés diélectriques du film de MXene à couches alternées. Par conséquent, une fuite d'électricité peut entraîner une diminution des performances de sortie [41]. Les résultats révèlent que la constante diélectrique maximale est obtenue avec 15 % en poids de Nb₂ CT_x concentration, qui a une bonne cohérence avec les résultats électriques de la Fig. 3b-d. En d'autres termes, avec une constante diélectrique croissante, Nb₂ CT_x le contenu a encore amélioré les performances triboélectriques.

Afin de clarifier davantage la relation théorique entre la sortie d'AM-TENG et la concentration de charge, le TENG peut être réduit à un modèle de condensateur à panneau plat dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S6. L'intensité du champ électrique dans l'entrefer et le diélectrique est donnée par [42] :

Diélectrique intérieur 1

Diélectrique intérieur 2

Entrefer intérieur

\(\upsigma _{c}\) est la densité de charge de surface. La distance (x ) de deux couches triboélectriques varie avec la force mécanique, et \(\upsigma _{I}\)(x, t) est transféré des électrons libres dans l'électrode. \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{o}\) est la permittivité du vide, et d ₁ et d ₂ sont l'épaisseur du matériau diélectrique. \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\) et \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}\) sont la constante diélectrique relative du diélectrique 1 et la constante diélectrique relative du diélectrique 2, respectivement.

La tension entre les deux électrodes peut être donnée par

Dans des conditions de court-circuit et V = 0

L'équation (5) montre que la densité de charge de transfert \(\upsigma _{I}\) augmente avec une augmentation de la densité de charge triboélectrique \(\upsigma _{c}\) sur la surface diélectrique et la permittivité du diélectrique \( {{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\) et \({{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}\), respectivement. Selon la formule, la production électrique augmente à mesure que la constante diélectrique du matériau diélectrique augmente, ce qui confirme fermement les résultats expérimentaux de la figure 3.

Afin d'estimer davantage les propriétés de friction des films de nanofeuilles composites MXene en couches alternées, un film de PTFE commercial avec le même groupe fonctionnel -F a été comparé. Dans les mêmes conditions d'essai, comme indiqué sur les Fig. 4a–c, le I _pp-sc de 8,65 μA/cm ² , V _oc de 37,63 V et Q _sc de 13,24 nC, respectivement, est 4,3 fois, 3,3 fois et 3,0 fois supérieur à celui du film PTFE commercial. Il illustre que le film de nanofeuille composite MXene à couches alternées est un matériau triboélectrique prometteur. La figure 4d illustre la densité de courant, la tension basée sur des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec 15 % en poids de Nb₂ CT_x en fonction de la résistance de charge externe allant de 0,01 à 80 MΩ. Évidemment, la densité de courant de court-circuit diminue avec l'augmentation de la résistance externe connectée, tandis que le V _oc suit une tendance à la hausse. La puissance instantanée du TENG est obtenue en calculant la tension de charge et la densité de courant mesurées avec les résistances. La puissance de crête correspondante du TENG est d'environ 0,10 mW/cm ² sous une résistance de charge de 5 MΩ (Fig. 4e). Nous avons également exploré l'application pratique du TENG en tant que récupérateur d'énergie et source d'alimentation. Après redressement, les tensions pouvant être stockées en chargeant des condensateurs de 1,0 F, 2,2 F, 3,3 F, 4,7 F et 10,0 F pendant 180 s sont respectivement de 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V et 0,22 V. (Fig. 4f).

Les performances de sortie d'AM-TENG basées sur un film composite avec 15 % de Nb₂ CT_x contenu ou film PTFE commercial. un V _oc , b Je _sc densité, et c Q _sc . d La densité de courant de sortie et la tension et e densité de puissance de l'am-TENG basée sur un film composite avec 15 % en poids de Nb₂ CT_x contenu en fonction de la résistance de charge externe. f Analyse des performances de charge des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées sous différentes capacités de capacité

De plus, l'AM-TENG peut récupérer l'énergie mécanique de simples mouvements humains et les convertir en signaux électriques. Le V _oc de l'appareil sous différents mouvements humains, tels que l'utilisation de la souris, l'envoi de SMS, la dactylographie, les tapes dans les mains, les tapes dans les mains et les tapes dans les mains, a été enregistré. Comme le montre la figure 5a et le fichier supplémentaire 2 : vidéo 1 dans les informations complémentaires, l'utilisation continue de la souris produit un V _oc de 2,45 V. Ensuite, lors du glissement et de l'envoi de SMS sur le téléphone mobile (Fig. 5b et Fichier supplémentaire 3 : Vidéo 2), le résultat montre qu'un V _oc de 2,46 V a été obtenu. Par la suite, comme le montrent les fig. 5c et 5d (fichiers supplémentaires 4, 5 : vidéo 3 et 4), les jambes qui frappent à la main et les jambes qui tapent à la main produisent un V _oc de 9,30 V et 18,68 V, respectivement. Et puis, à partir de la figure 5e et du fichier supplémentaire 6 : vidéo 5, il est vérifié que les jambes tapées à la main produisent un V _oc de 18,72 V. Enfin, sur la Fig. 5f (Fichier supplémentaire 7 :Vidéo 6), un V _oc de 27,61 V est généré par les applaudissements des mains. Pour résumer, il est devenu apparemment que l'AM-TENG a un potentiel d'application énorme dans les applications portables.

V _oc signaux d'AM-TENG sous différents états de mouvement. un À l'aide de la souris, b SMS, c Saisie, d Gifles à la main, e Tapotements à la main, f Applaudissements

Conclusion

En résumé, un TENG haute performance basé sur des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées avec un groupe -F abondant par empilement couche par couche a été fabriqué avec succès. Le Nb₂ introduit CT_x les intercalaires promettent non seulement la microstructure intrinsèque uniforme des films composites et fournissent plus de nanocanaux pour les groupes -F efficaces, mais augmentent également la constante diélectrique. Lorsque le montant du Nb₂ CT_x augmente à 15 % en poids, le TENG basé sur des films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées atteint le rendement maximal. La densité de courant de court-circuit et la tension de 8,06 A/cm ² et 34,63 V sont 8,4 fois et 3,5 fois supérieurs à celui du Ti₃ pur C₂ T_x film et 4,3 fois et 3,3 fois supérieur à celui du film commercial de poly(tétrafluoroéthylène)(PTFE). De plus, le TENG fabriqué peut être attaché au corps humain pour récupérer l'énergie de simples mouvements humains, tels que taper, envoyer des SMS et applaudir. Les résultats démontrent que les films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées grâce à l'empilement couche par couche peuvent posséder des performances triboélectriques remarquables, qui enrichissent la famille de matériaux triboélectriques et offrent un nouveau choix pour le TENG à haut rendement.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique

F :

Groupes fluorés

PTFE :

Poly(tétrafluoroéthylène)

2D :

Bidimensionnel

AM-TENG :

TENG à base de films de nanofeuilles composites MXene à couches alternées

XRD :

Diffractomètre à rayons X

SEM :

Microscope électronique à balayage

EDS :

Spectroscope à rayons X à dispersion d'énergie

I-PrA :

Isopropylamine

V _oc :

Tension en circuit ouvert

Je _sc :

Densité de courant de court-circuit

Q _sc :

Densité de charge transférée