Film composite MXene avancé pour TENG atteignant une sortie électrique supérieure

Résumé

La puissance de sortie du nanogénérateur triboélectrique (TENG) dépend fortement de la performance des matériaux triboélectriques, en particulier de leurs microstructures et groupes fonctionnels. Dans ce travail, visant une excellente capacité triboélectrique, des films composites MXene à couches alternées avec des groupes fluor abondants (-F) par empilement couche par couche sont conçus et fabriqués. Bénéficiant de la microstructure intrinsèque uniforme et de la constante diélectrique augmentée, lorsque la quantité de nanosheets Nb₂CT_x augmente à 15 % en poids, le TENG basé sur les films de nanosheets composites Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x atteint la sortie maximale. La densité de courant de court-circuit de 8,06 μA/cm² et la tension de 34,63 V sont 8,4 fois et 3,5 fois supérieures à celles des films purs Ti₃C₂T_x, et 3,3 fois et 4,3 fois supérieures à celles des films commerciaux de poly(tétrafluoroéthylène) (PTFE), respectivement. De plus, le TENG fabriqué peut être attaché au corps humain pour récolter l'énergie des mouvements humains, tels que la frappe, l'envoi de messages et les applaudissements. Les résultats démontrent que les films de nanosheets composites MXene à couches alternées par empilement couche par couche possèdent une performance triboélectrique remarquable, ce qui élargit le choix des matériaux triboélectriques négatifs et fournit un nouveau choix pour les TENG à haute sortie.

Introduction

Alors que la température globale continue d'augmenter, le développement de technologies de récolte d'énergie verte est urgent. Le TENG basé sur l'effet de couplage de la charge de 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 légèreté, fabrication facile, choix varié de matériaux et haute efficacité de conversion d'énergie [4,5,6]. Bien que les théories et expériences aient vérifié que la performance du TENG pourrait être améliorée en optimisant les matériaux triboélectriques, il reste un défi significatif de fabriquer le TENG avec une puissance de sortie élevée. Plusieurs études précédentes montrent que certains groupes fonctionnels spéciaux (–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) pourraient affecter la capacité des matériaux triboélectriques à gagner ou perdre des électrons et ainsi moduler efficacement la performance de triboélectrification de contact du TENG [10].

Le MXene, en tant que nouvelle famille de nanomatériaux bidimensionnels (2D), est un nouveau type de carbures ou nitrures de métaux de transition lamellaires qui peut être synthétisé en attaquant sélectivement les éléments « A » de sa phase MAX précurseur [11]. La formule générale des MXenes est M_n+1X_nT_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 résulte en une densité de charge plus intense [15]. L'augmentation de l'espacement interlamellaire nanométrique entre les nanosheets MXene à couches alternées augmentera efficacement le canal des groupes -F, ce qui est favorable à un plus grand flux de groupes -F entre les nanosheets du film composite. Par conséquent, les MXenes sont attendus comme matériaux triboélectriques négatifs idéaux pour les TENG [16,17,18]. Tous les TENG flexibles basés sur nanofibres electrospun poly(alcool vinylique)/Ti₃C₂T_x ont été rapportés que l'incorporation de Ti₃C₂T_x a significativement amélioré la propriété diélectrique et ainsi amélioré la performance de sortie triboélectrique [19]. Pendant ce temps, Wang et al. présentent des nanocomposites polydiméthylsiloxane avec Ti₃C₂T_x interconnecté tridimensionnel servant de matériau triboélectrique négatif, qui pouvait être préparé par lyophilisation unidirectionnelle et méthodes d'imprégnation assistée par vide [20]. Cao et al. rapportent un TENG imperméable hautement flexible et haute performance basé sur un nouveau nanocomposite tissu Ti₃C₂T_x/Ecoflex pour la récolte d'énergie universelle à partir de divers mouvements humains [21].

Cependant, comme beaucoup d'autres matériaux 2D, la performance du MXene est entravée en raison de son agrégation [22], ce qui résulte en des nanocanaux limités pour le groupe -F [23]. Pour tirer pleinement parti de leurs propriétés électrochimiques, des nanosheets Ti₃C₂T_x contenant une structure poreuse et des espaceurs interlamellaires ont été rapportés [24]. L'introduction d'espaceurs interlamellaires [25,26,27] (tels que graphène [28], polymère [29, 30], oxyde de graphène [31], et nanoparticules d'oxyde métallique [32]) dans le MXene a également significativement amélioré la performance de sortie du TENG.

Ici, une structure à couches empilées est adoptée pour concevoir et fabriquer des films composites MXene à couches alternées avec des groupes -F abondants et une microstructure intrinsèque uniforme. Les nanosheets Nb₂CT_x sont choisis comme espaceur en raison de leur électronégativité plus élevée que les nanomatériaux à base de carbone, et Ti₃C₂T_x sert de matériau principal en raison de son électronégativité élevée. Les films de nanosheets composites MXene à couches alternées préparés peuvent efficacement réduire l'auto-reempilement des nanosheets Ti₃C₂T_x et augmenter l'espacement interlamellaire entre les nanosheets Ti₃C₂T_x, ce qui fournira plus de nanocanaux efficaces pour le groupe -F. Il a été trouvé que de tels films de nanosheets composites MXene à couches alternées basés sur TENG (AM-TENG) atteignent la meilleure performance avec le rapport de poids de 15 % Nb₂CT_x. La densité de courant de sortie maximale et la tension sont 8,06 μA/cm² et 34,63 V, respectivement, qui sont 8,4 fois et 3,5 fois supérieures à celles des films purs Ti₃C₂T_x et 4,1 fois et 4,2 fois supérieures à celles des films PTFE commerciaux. De plus, la capacité de récolte d'énergie des films composites MXene à couches alternées basés sur TENG est démontrée par la charge de condensateur. Ce travail démontre un nouveau type de matériau triboélectrique pour une récolte d'énergie verte hautement efficace.

Méthodes

Matériaux

Tous les produits chimiques utilisés n'ont pas été purifiés davantage. Ti₃AlC₂ et poudres Nb₂AlC ont été achetés auprès de Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd. L'isopropylamine a été fournie par Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD.

Préparations

Premièrement, 1,6 g de LiF (Aladdin) a été dissous dans 20 mL de solution d'acide chlorhydrique (Sigma, 9 M). Ensuite, 1,0 g de Ti₃AlC₂ a été ajouté lentement (dans les 10 min) au mélange ci-dessus sous agitation continue. Ensuite, la réaction a continué pendant un jour à une température de 35 °C. Troisièmement, la suspension préparée a été lavée à l'eau déionisée plusieurs fois jusqu'à ce que son pH atteigne 6. Finalement, la solution homogène Ti₃C₂T_x a été soniquée sous bain de glace pendant 1 h et a été centrifugée pendant une autre heure à 3500 tr/min. Un total de 1 g de poudre Nb₂AlC a été ajouté progressivement (dans les 5 min) dans 10 mL de solution d'acide fluorhydrique à 50 % en poids. Ensuite, la solution a été agitée constamment pendant deux jours à 35 °C pour attaquer la couche Al de Nb₂AlC. Après centrifugation et lavages répétés à l'eau déionisée, les sédiments collectés avec 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 déionisée. Finalement, après une étape de centrifugation de 1 h à 3500 tr/min, la solution homogène Nb₂CT_x a été obtenue.

Fabrication du TENG

Le TENG fonctionnant en mode contact-séparation a été fabriqué. Premièrement, une feuille de cuivre a été fixée sur une plaque acrylique pour former une électrode carrée de taille 1 cm × 1 cm (longueur × largeur). Ensuite, un film de nylon 1 cm × 1 cm attaché à la feuille Cu a été utilisé comme couche de friction. Par la suite, l'autre contrepartie avec film composite MXene à couches alternées comme couche de friction a été fabriquée selon les mêmes étapes. Comparé au PTFE-TENG, la seule différence est l'utilisation du film composite MXene à couches alternées au lieu des films PTFE commerciaux. La tension de sortie à circuit ouvert, le courant de court-circuit et la charge de transfert du film de nanosheets 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 en poudre (DRX, Ultima IV, Japanese Science, gamme 2θ de 5° à 60°) avec rayonnement Cu Kα. La morphologie des nanosheets a été confirmée en utilisant un microscope électronique à balayage (MEB, Hitachi SU8010), et la spectroscopie 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 travers un microscope Raman confocal avec une longueur d'onde d'excitation de 532 nm et un réseau spectral de 1800 traits/mm. Les spectres ont été acquis en focalisant le laser à travers un objectif 50×. Un pont LCR (Hioki, IM 3536) a été utilisé pour évaluer la constante diélectrique des nanosheets.

Résultats et discussion

La figure 1 montre une illustration schématique du processus de fabrication étape par étape des films de nanosheets composites MXene à couches alternées. Quelques couches de MXene Ti₃C₂T_x ont été préparées par attaque des précurseurs Ti₃AlC₂ en utilisant une solution HCl/LiF [33] et ont été soniquées sous bain de glace (Fig. 1 I). Selon la Fig. 1 II, les couches atomiques Al ont été attaquées par HF à partir de la phase MAX Nb₂AlC [27, 34,35,36]. La solution d'isopropylamine (I-PrA) a été intercalée entre les multicouches Nb₂CT_x pour élargir l'espacement interlamellaire, suivie d'un agitation manuelle pour délaminer Nb₂CT_x en nanosheets de quelques couches [27]. Dans les nanosheets Ti₃C₂T_x acquis, 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 sur la surface de la couche Ti externe, formant une structure en sandwich lamellaire. De même, pour Nb₂CT_x, les atomes de niobium remplissaient la position vertex octaédrique, assemblant une structure ABAB lamellaire. L'effet de diffusion Tyndall observé en Fig. 1 reflète que les solutions Ti₃C₂T_x et Nb₂CT_x avaient une excellente stabilité et dispersité, ce qui promettait l'uniformité de chaque couche. Finalement, les films de nanosheets composites MXene à couches alternées ont été construits par empilement ABAB sous filtration sous vide (Fichier additionnel 1 : Figure S1).

Les caractérisations des films de nanosheets composites MXene à couches alternées sont présentées en Fig. 2. Par l'attaque de la stratification d'atomes Al de Ti₃AlC₂, les quelques couches Ti₃C₂T_x acquises expriment une structure lamellaire typique, qui est juste comme les MXenes typiques, comme indiqué en Fig. 2a. Comme montré en Fig. 2b-f, les rapports de poids des films de nanosheets composites MXene à couches alternées de 5 %, 10 %, 15 %, 20 % et 25 % ont une structure multicouche lâche. De plus, lorsque la teneur en Nb₂CT_x augmente de 5 à 10 % en poids, l'espacement interlamellaire nanométrique entre les nanosheets des films composites augmente progressivement. De 15 à 25 % en poids, l'espacement interlamellaire nanométrique entre les nanosheets dans les films composites n'a pas de grands changements. Ainsi, les nanosheets Ti₃C₂T_x délaminés et les nanosheets MXene à couches alternées sont préparés avec succès. Pour expliquer le degré de mélange homogène des nanosheets Nb₂CT_x dans les films de nanosheets composites MXene à couches alternées, des images de cartographie par spectroscopie X à dispersion d'énergie (EDS) de la section transversale sont obtenues. Les éléments Nb, Ti, O et F sont détectés dans toute la région scannée, comme montré en Fig. 2h (et Fichier additionnel 1 : Figure S2). On peut observer que les éléments Nb et Ti ont une distribution égale dans les films composites, montrant que les nanosheets Ti₃C₂T_x et Nb₂CT_x sont empilés uniformément. Afin d'analyser davantage les phases matérielles et le changement d'espacement interlamellaire entre les nanosheets Ti₃C₂T_x et Nb₂CT_x, des mesures de diffractomètre à rayons X (DRX) ont été effectuées sur le Ti₃C₂T_x pur et les films de nanosheets composites MXene à couches alternées. Comme détaillé dans le Fichier additionnel 1 : Figure S4a, après attaque sélective et délamination, le film Ti₃C₂T_x pur fabriqué présente un pic de diffraction (002) fort à 7,15°, qui est cohérent avec les résultats précédemment rapportés [11, 33, 37]. Comme montré dans le Fichier additionnel 1 : Figure S4b, on peut voir que le pic de diffraction (002) se déplace de 12,86° pour Nb₂AlC MAX à 7,05° pour le film Nb₂CT_x en raison de l'attaque complète des couches d'atomes Al [27]. Les résultats XPS sont affichés dans le Fichier additionnel 1 : Figure S3. Le spectre F 1s du MXene à couches alternées en Fig. S3b peut être déconvolué en deux pics à 684,72 et 686,45 eV, représentant Ti-F et Al-F, respectivement. [15, 16] Les résultats DRX sont également listés en Fig. 2j. La comparaison entre le film Ti₃C₂T_x pur et le film de nanosheets composites MXene à couches alternées à 5 % en poids montre que l'intensité du pic de diffraction (002) diminue évidemment, ce qui indique l'introduction de nanosheets Nb₂CT_x. À mesure que les teneurs en Nb₂CT_x augmentent de 10 à 15 % en poids, les changements dans l'angle de diffraction diminuent progressivement, ce qui signifie que l'espacement interlamellaire des films de nanosheets composites MXene à couches alternées augmente progressivement en raison de l'interaction entre les nanosheets Nb₂CT_x et Ti₃C₂T_x. Cependant, avec la teneur en Nb₂CT_x augmentant de 20 à 25 % en poids, l'angle de diffraction augmente progressivement de 0,6170 à 0,7536 nm (dans le Fichier additionnel 1 : Tableau S1). Les résultats révèlent qu'en raison de l'introduction de nanosheets Nb₂CT_x excessifs, les nanosheets Nb₂CT_x et Ti₃C₂T_x s'empilent, et l'espacement interlamellaire des films de nanosheets composites MXene à couches alternées est réduit (de 0,7530 à 0,7371 nm). Les résultats DRX sont cohérents avec les résultats MEB. Pour confirmer davantage la composition des films de nanosheets composites MXene à couches alternées, une analyse Raman a également été effectuée. La Fig. 2k montre les spectres Raman des Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x et films de nanosheets composites MXene à couches alternées avec différentes teneurs en Nb₂CT_x. Les échantillons illustrent les modes vibratoires attendus pour Ti₃C₂T_x (Fig. 2k). Les pics à 157, 254, 423 et 615 cm⁻¹ sont attribués aux modes vibratoires E_g des vibrations hors plan des atomes Ti et C dans les films composites MXene à couches alternées. Le pic à 197 cm⁻¹ est attribué aux modes vibratoires A_g des atomes Ti, C et groupes fonctionnels de surface dans le plan [38]. Comparé au film Ti₃C₂T_x pur, l'intensité et la demi-largeur du pic E_g des films de nanosheets composites MXene à couches alternées ont changé, indiquant que les vibrations Ti et C dans le plan, les groupes de surface et l'espacement interlamellaire ont tous changé [39], ce qui pourrait être attribué à la réaction entre les nanosheets Nb₂CT_x et Ti₃C₂T_x.

La Fig. 3a montre le mécanisme de fonctionnement de l'AM-TENG, qui contient la triboélectrification de contact et les inductions électrostatiques [40]. L'AM-TENG fonctionne en mode contact-séparation, où le film de nylon supérieur et le film de nanosheets composites MXene à couches alternées inférieur fonctionnent comme couches diélectriques positive et négative, respectivement. Les charges électriques générées entre les deux surfaces de friction construisent un champ électrique. Le changement de distance crée un champ électrique modifiable, suivi par un courant de déplacement entre les deux électrodes du circuit externe. Par conséquent, comme le déclencheur est appliqué et libéré périodiquement au TENG, les électrons vont et viennent pendant le contact et la séparation périodiques, générant un courant alternatif à travers le circuit externe. Pour évaluer le rôle du Nb₂CT_x, la sortie électrique de l'AM-TENG avec le rapport de poids Nb₂CT_x variant de 0 à 25 % a été réalisée, incluant la tension à circuit ouvert (V_oc), la densité de courant de court-circuit (I_sc) et la densité de charge transférée (Q_sc). Le TENG basé sur les films de nanosheets composites MXene à couches alternées avec la même épaisseur a été mesuré sous les mêmes conditions, comme montré en Fig. 3b-d. Évidemment, on peut voir que la densité I_sc, V_oc et Q_sc de l'AM-TENG à 15 % en poids ont augmenté simultanément de manière remarquable comparé à celui du film Ti₃C₂T_x pur. À mesure que la quantité de Nb₂CT_x augmente à 15 % en poids, la sortie générée de densité I_sc, V_oc et Q_sc de l'AM-TENG augmentent progressivement jusqu'à 8,06 μA/cm², 34,63 V et 11,19 nC, respectivement, qui sont 8,4 fois, 3,5 fois et 3,6 fois supérieures à celles du film Ti₃C₂T_x pur (0,96 μA/cm², 9,94 V et 3,08 nC), comme décrit en Fig. 3a et b. Cependant, lorsque la quantité de poids de Nb₂CT_x augmente davantage de 15 à 25 %, la densité I_sc, V_oc et Q_sc diminuent à 1,97 μA/cm², 19,74 V et 5,30 nC, respectivement. Le Fichier additionnel 1 : Figure S5 résume la tendance de variation de la densité I_sc, V_oc et Q_sc avec l'augmentation progressive du rapport de poids Nb₂CT_x.

Pour le mode contact-séparation de l'AM-TENG, la constante diélectrique est un paramètre important pour déterminer la performance de sortie. Par conséquent, la constante diélectrique des films de nanosheets composites MXene à couches alternées a été caractérisée par un modèle de permittivité complexe dans la gamme de fréquence de 0,1 à 1000 MHz. Ensuite, la constante diélectrique du Ti₃C₂T_x et des films de nanosheets composites MXene à couches alternées avec différentes concentrations de Nb₂CT_x et fréquences est montrée en Fig. 3e. On peut voir de la Fig. 3e qu'à mesure que le rapport de dopage augmente de 0 à 15 % en poids, la constante diélectrique augmente de 0,02 à 0,04. Avec le rapport de poids augmentant davantage jusqu'à 25 % en poids, la constante diélectrique diminue de 0,03 à 0,02. La constante diélectrique du film de nanosheets composites MXene à couches alternées est plus élevée que le film Ti₃C₂T_x pur en raison de la formation du réseau interfacial de microcondensateurs [21]. À des concentrations plus élevées, la conduction entre Ti₃C₂T_x et Nb₂CT_x s'agrège probablement, formant un réseau conducteur et détruisant ainsi les propriétés diélectriques du film MXene à couches alternées. Par conséquent, la fuite d'électricité peut entraîner une diminution de la performance de sortie [41]. Les résultats révèlent que la constante diélectrique maximale est obtenue avec une concentration de 15 % en poids Nb₂CT_x, ce qui a une bonne cohérence avec les résultats électriques en Fig. 3b-d. En d'autres termes, avec l'augmentation de la constante diélectrique, la teneur en Nb₂CT_x a encore amélioré la performance triboélectrique.

Afin de clarifier davantage la relation théorique entre la sortie de l'AM-TENG et la concentration de remplissage, le TENG peut être réduit à un modèle de condensateur à plaques planes dans le Fichier additionnel 1 : Figure S6. La force du champ électrique dans l'espace d'air et le diélectrique est donnée par [42] :

À l'intérieur du diélectrique 1

E₁ = σ_I(x,t) / ε_r1

(1)

À l'intérieur du diélectrique 2

E₂ = σ_I(x,t) / ε_r2

(2)

À l'intérieur de l'espace d'air

E_air = (σ_I(x,t) - σ_c) / ε_o

(3)

σ_c est la densité de charge de surface. La distance (x) des deux couches triboélectriques varie avec la force mécanique, et σ_I(x, t) est les électrons libres transférés dans l'électrode. ε_o est la permittivité du vide, et d₁ et d₂ sont l'épaisseur du matériau diélectrique. ε_r1 et ε_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

V = σ_I(x,t) (d₁/ε_r1 + d₂/ε_r2) + x[σ_I(x,t) - σ_c] / ε_o

(4)

Sous conditions de court-circuit et V = 0

σ_I(x,t) = xσ_c / (ε_od₁/ε_r1 + ε_od₁/ε_r1 + x)

(5)

L'équation (5) montre que la densité de charge transférée σ_I augmente avec l'augmentation de la densité de charge triboélectrique σ_c sur la surface diélectrique et la permittivité du diélectrique ε_r1 et ε_r1, respectivement. Selon la formule, la sortie électrique augmente à mesure que la constante diélectrique du matériau diélectrique augmente, ce qui soutient fermement les résultats expérimentaux en Fig. 3.

Afin d'estimer davantage les propriétés de friction des films de nanosheets composites MXene à couches alternées, un film PTFE commercial avec le même groupe fonctionnel -F a été comparé. Sous les mêmes conditions de test, comme montré en Fig. 4a-c, le I_pp-sc de 8,65 μA/cm², V_oc de 37,63 V et Q_sc de 13,24 nC, respectivement, sont 4,3 fois, 3,3 fois et 3,0 fois supérieurs à ceux du film PTFE commercial. Cela illustre que le film de nanosheets composites MXene à couches alternées est un matériau triboélectrique prometteur. La Fig. 4d représente la densité de courant, la tension basées sur les films de nanosheets composites MXene à couches alternées avec 15 % en poids de Nb₂CT_x en fonction de la résistance de charge externe variant 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 V_oc suit une tendance croissante. La puissance instantanée du TENG est obtenue en calculant la tension de charge mesurée et la densité de courant avec les résistances. La puissance de crête correspondante du TENG est d'environ 0,10 mW/cm² sous une résistance de charge de 5 MΩ (Fig. 4e). Nous avons également exploré l'application pratique du TENG à la fois comme récolteur d'énergie et alimentation. Après redressement, les tensions qui peuvent être stockées en chargeant des condensateurs de 1,0 μF, 2,2 μF, 3,3 μF, 4,7 μF et 10,0 μF pendant 180 s sont 2,92 V, 1,92 V, 1,29 V, 1,06 V, 0,48 V et 0,22 V, respectivement (Fig. 4f).

De plus, l'AM-TENG peut récolter l'énergie mécanique de mouvements humains simples et les convertir en signaux électriques. La V_oc du dispositif sous différents mouvements humains, tels que l'utilisation de souris, l'envoi de messages, la frappe, les claques dans les mains, les tapes dans les mains et les applaudissements, a été enregistrée. Comme montré en Fig. 5a et Fichier additionnel 2 : vidéo 1 dans l'Information Supplémentaire, l'utilisation continue de la souris produit une V_oc de 2,45 V. Ensuite, lors du défilement et de l'envoi de messages sur le téléphone mobile (Fig. 5b et Fichier additionnel 3 : Vidéo 2), le résultat montre qu'une V_oc de 2,46 V a été obtenue. Par la suite, comme le montrent les Fig. 5c et 5d (Fichiers additionnels 4, 5 : Vidéos 3 et 4), les claques sur les jambes et les tapes sur les jambes produisent des V_oc de 9,30 V et 18,68 V, respectivement. Et puis, de la Fig. 5e et Fichier additionnel 6 : Vidéo 5, il est vérifié que les tapes sur les jambes produisent une V_oc de 18,72 V. Finalement, en Fig. 5f (Fichier additionnel 7 : Vidéo 6), une V_oc de 27,61 V est générée par les applaudissements. En résumé, il est devenu apparent que l'AM-TENG a un énorme potentiel d'application dans les applications portables.

Conclusion

En résumé, un TENG haute performance basé sur des films de nanosheets composites MXene à couches alternées avec des groupes -F abondants par empilement couche par couche a été fabriqué avec succès. Les intercouches Nb₂CT_x introduites non seulement promettent la microstructure intrinsèque uniforme des films composites et fournissent plus de nanocanaux pour les groupes -F efficaces, mais augmentent aussi la constante diélectrique. Lorsque la quantité de Nb₂CT_x augmente à 15 % en poids, le TENG basé sur les films de nanosheets composites MXene à couches alternées atteint la sortie maximale. La densité de courant de court-circuit et la tension de 8,06 μA/cm² et 34,63 V sont 8,4 fois et 3,5 fois supérieures à celles du film Ti₃C₂T_x pur et 4,3 fois et 3,3 fois supérieures à celles du film commercial poly(tétrafluoroéthylène)(PTFE). De plus, le TENG fabriqué peut être attaché au corps humain pour récolter l'énergie de mouvements humains simples, tels que la frappe, l'envoi de messages et les applaudissements. Les résultats démontrent que les films de nanosheets composites MXene à couches alternées par empilement couche par couche peuvent posséder une performance triboélectrique remarquable, ce qui enrichit la famille des matériaux triboélectriques et fournit un nouveau choix pour les TENG à haute sortie.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données sont pleinement disponibles sans restriction.

Abréviations

TENG :

Nanogénérateur triboélectrique

F :

Groupes fluor

PTFE :

Poly(tétrafluoroéthylène)

2D :

Bidimensionnel

AM-TENG :

TENG basé sur films de nanosheets composites MXene à couches alternées

DRX :

Diffractomètre à rayons X

MEB :

Microscope électronique à balayage

EDS :

Spectroscopie X à dispersion d'énergie

I-PrA :

Isopropylamine

V_oc :

Tension à circuit ouvert

I_sc :

Densité de courant de court-circuit

Q_sc :

Densité de charge transférée