향상된 전기적 성능을 갖춘 대체층 MXene 복합 필름 기반 마찰전기 나노발전기

초록

마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전력은 마찰전기 물질, 특히 미세구조 및 작용기의 성능에 크게 의존합니다. 이 연구에서는 우수한 마찰 전기 능력을 목표로 층별 적층을 통해 풍부한 플루오르 그룹(-F)을 갖는 교대로 적층된 MXene 복합 필름 기반 TENG를 설계 및 제조합니다. Nb₂의 양이 많을 때 균일한 고유 미세구조와 증가된 유전 상수의 이점 CT_x 나노시트는 Nb₂를 기반으로 하는 TENG가 15wt%로 증가합니다. CT_x /Ti₃ C₂ T_x 복합 나노 시트 필름은 최대 출력을 달성합니다. 8.06μA/cm² 의 단락 전류 밀도 34.63V의 전압은 순수 Ti₃의 전압보다 8.4배, 3.5배 높습니다. C₂ T_x 필름은 상용 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 필름에 비해 각각 3.3배 및 4.3배 높습니다. 또한 제작된 TENG를 인체에 부착하여 타이핑, 문자 메시지, 손뼉치기와 같은 인간의 동작에서 에너지를 수확할 수 있습니다. 결과는 층별 적층을 통한 교대층 MXene 복합 나노시트 필름이 음의 마찰전기 재료의 선택을 넓히고 고출력 TENG를 위한 새로운 선택을 제공하는 현저한 마찰전기 성능을 가지고 있음을 보여줍니다.

소개

지구 온도가 지속적으로 상승함에 따라 그린 에너지 하베스팅 기술 개발이 시급합니다. 접촉 충전과 정전기 유도의 결합 효과에 기반한 TENG는 주변의 기계적 에너지를 전기 에너지로 효과적으로 변환하는 강력한 기술로 간주됩니다[1,2,3]. 지금까지 TENG의 다양한 유형은 경량, 쉬운 제조, 다양한 재료 선택 및 높은 에너지 변환 효율의 장점으로 인해 널리 연구되었습니다[4,5,6]. 이론과 실험을 통해 TENG의 성능이 마찰전기 재료를 최적화함으로써 향상될 수 있음이 확인되었지만, 높은 출력으로 TENG를 제작하는 것은 여전히 중요한 과제로 남아 있습니다. 여러 이전 연구에서 일부 특수 작용기(–F [7], –NH₂ [8], –CH₃ [9]) 마찰 전기 재료가 전자를 얻거나 잃는 능력에 영향을 미치고 TENG의 접촉 마찰 대전 성능을 효과적으로 조절할 수 있습니다[10].

2차원(2D) 나노물질의 새로운 계열인 MXene은 전구체 MAX 상에서 "A" 원소를 선택적으로 에칭하여 합성할 수 있는 새로운 유형의 층상 전이 금속 탄화물 또는 질화물입니다[11]. MXenes의 일반 공식은 M_{n입니다. +1} X_n T_x , 여기서 M, X 및 T_x 전이 금속(예:Sc, Ti, Zr, Hf, V 및 Nb), C 또는 N(n =1, 2 또는 3) 및 다양한 표면 말단 그룹(–F, –OH, =O), 각각 [12,13,14]. -F 그룹은 가장 강력한 전자 끌기 능력을 가지고 있는 반면, -F 그룹의 밀도가 높을수록 전하 밀도가 더 강해집니다[15]. 교대로 적층된 MXene 나노시트 사이의 나노크기 층간 간격의 증가는 -F 그룹의 채널을 효과적으로 증가시킬 것이며, 이는 복합 필름 나노시트 사이에 더 많은 -F 그룹이 흐르는 데 도움이 됩니다. 따라서 MXene은 TENG에 이상적인 음의 마찰전기 재료로 기대됩니다. 따라서 MXene은 TENG [16,17,18]에 대한 이상적인 음의 마찰 전기 재료로 예상됩니다. 모든 전기방사 폴리(비닐 알코올)/Ti₃ C₂ T_x 나노섬유 기반의 유연한 TENG는 Ti₃ C₂ T_x 유전 특성이 크게 향상되어 마찰 전기 출력 성능이 향상되었습니다[19]. 한편, Wang et al. 3차원적으로 상호 연결된 Ti₃를 가진 폴리디메틸실록산 나노복합체 제시 C₂ T_x 단방향 동결 건조 및 진공 보조 함침 방법으로 제조할 수 있는 음의 마찰 전기 재료로 사용되었습니다[20]. Caoet al. 새로운 직물 Ti₃를 기반으로 한 매우 유연하고 고성능의 방수 TENG를 보고합니다. C₂ T_x /다양한 인간의 움직임에서 보편적으로 에너지를 수확하기 위한 Ecoflex 나노복합체 [21].

그러나 다른 많은 2D 재료와 마찬가지로 MXene의 성능은 응집으로 인해 방해를 받아 [22] -F 그룹 [23]에 대한 나노 채널이 제한됩니다. 전기화학적 특성을 최대한 활용하기 위해 Ti₃ C₂ T_x 다공성 구조와 층간 스페이서를 포함하는 나노시트가 보고되었다[24]. 층간 스페이서[25,26,27](예:그래핀[28], 폴리머[29,30], 산화그래핀[31], 금속 산화물 나노입자[32])를 MXene에 도입하면 TENG의 출력 성능도 크게 향상되었습니다. .

여기에서 층 적층 구조는 -F 그룹이 풍부하고 고유한 미세 구조가 균일한 교대로 적층된 MXene 복합 필름을 설계 및 제조하기 위해 채택되었습니다. Nb₂ CT_x 나노시트는 탄소 기반 나노물질보다 전기음성도가 높기 때문에 스페이서로 선택되며 Ti₃ C₂ T_x 전기 음성도가 높기 때문에 벌크 재료로 사용됩니다. 준비된 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름은 Ti₃의 자가 재적층을 효과적으로 감소시킬 수 있습니다. C₂ T_x 나노시트 및 Ti₃ 사이의 층간 간격 증가 C₂ T_x -F 그룹에 보다 효과적인 나노채널을 제공할 나노시트. 이러한 교대층 MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG(AM-TENG)는 15% Nb₂의 중량비로 최고의 성능을 달성하는 것으로 밝혀졌습니다. CT_x . 최대 출력 전류 밀도 및 전압은 8.06μA/cm² 입니다. 및 34.63 V는 각각 순수 Ti₃의 8.4배 및 3.5배입니다. C₂ T_x 필름은 상용 PTFE 필름보다 4.1배 및 4.2배 높습니다. 또한 교대로 적층된 MXene 복합 필름 기반 TENG의 에너지 수확 기능은 커패시터 충전을 통해 시연됩니다. 이 작업은 고효율 녹색 에너지 수확을 위한 새로운 유형의 마찰 전기 재료를 보여줍니다.

방법

자료

사용된 모든 화학 물질은 더 이상 정제되지 않았습니다. Ti₃ AlC₂ 및 Nb₂ AlC 분말은 Shandong Xiyan new materials technology Co., Ltd.에서 구입했습니다. Isopropylamine은 Shanghai Aladdin Bio-Chem Technology Co., LTD에서 제공했습니다.

준비사항

먼저 LiF(Aladdin) 1.6g을 염산(Sigma, 9M) 20mL 용액에 녹였습니다. 그런 다음 Ti₃ 1.0g AlC₂ 연속 교반 조건하에 상기 혼합물에 (10분 이내) 서서히 첨가하였다. 이후 35℃의 온도에서 하루 동안 반응을 계속하였다. 셋째, 제조된 현탁액을 pH가 6에 도달할 때까지 탈이온수로 여러 번 세척했습니다. 마지막으로 균일한 Ti₃ C₂ T_x 용액을 얼음 수조에서 1시간 동안 초음파 처리하고 3500rpm에서 추가로 1시간 동안 원심분리했습니다. 총 1g의 Nb₂ AlC 분말을 50 중량% 불화수소 용액 10 mL에 점진적으로(5분 이내) 첨가했습니다. 그런 다음, 용액을 35°C에서 이틀 동안 일정하게 교반하여 Nb₂에서 Al 층을 에칭했습니다. 알씨. 원심분리 및 탈이온수로 반복 세척한 후 pH 6 이상으로 수집된 침전물을 추가 삽입을 위해 실온에서 하루 동안 10mL 이소프로필아민 용액에 분산시켰다. 원심분리 후 젖은 침전물을 100mL 탈이온수에 분산시켰다. 마지막으로 3500rpm 회전 속도로 1시간 원심분리 단계 후 균일한 Nb₂ CT_x 솔루션을 얻었습니다.

TENG 제작

접촉 분리 모드에서 작동하는 TENG가 제작되었습니다. 먼저 아크릴판 위에 동박 조각을 붙여 1cm × 1cm(길이 × 폭) 크기의 정사각형 전극을 형성하였다. 그런 다음 마찰층으로 Cu 포일에 부착된 1cm × 1cm 나일론 필름을 사용했습니다. 그 후, 마찰층으로 복합 교대로 적층된 MXene 복합 필름을 갖는 다른 대응물을 동일한 단계에 따라 제조하였다. PTFE-TENG와 비교할 때 유일한 차이점은 상업용 PTFE 필름 대신에 교대로 적층된 MXene 복합 필름을 사용한다는 것입니다. 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 개방 회로 출력 전압, 단락 전류 및 전달 전하를 Keithley 6517B 전위계로 측정했습니다. 2Hz의 주파수에서 외부 주기적 트리거를 제공하기 위해 선형 모터(Linmot E1100)가 적용되었습니다.

재료 특성화

결정 구조는 분말 X선 회절계(XRD, Ultima IV, Japan Science, 2θ Cu Kɑ 방사선의 경우 5° ~ 60° 범위). 나노시트의 형태는 주사전자현미경(SEM, Hitachi SU8010)을 이용하여 확인하였으며, 동일한 기기(IXRF SYSTEMS)에서 에너지분산 X선 분광기(EDS) 매핑을 수행하였다. 라만(LABRAM HR EVOLUTION) 스펙트럼은 여기 파장이 532nm이고 스펙트럼 격자가 1800lines/mm인 공초점 라만 현미경을 통해 획득했습니다. 스펙트럼은 50 × 대물렌즈를 통해 레이저를 집속하여 획득했습니다. LCR 미터(Hioki, IM 3536)를 사용하여 나노시트의 유전상수를 평가했습니다.

결과 및 토론

그림 1은 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 단계별 제조 공정의 개략도를 보여줍니다. Ti₃ 몇 겹 C₂ T_x MXene은 에칭 전구체 Ti₃를 통해 준비되었습니다. AlC₂ HCl/LiF 용액을 사용하여 [33] 얼음 수조에서 초음파 처리했습니다(그림 1 I). 그림 1 II에 따르면 Al 원자층은 Nb₂에서 HF로 에칭되었습니다. AlC MAX 상 [27, 34,35,36]. 이소프로필아민(I-PrA) 용액은 다층 Nb₂ 사이에 삽입되었습니다. CT_x 층간 간격을 확대한 다음 Nb₂를 박리하기 위해 수동으로 흔듭니다. CT_x 몇 층 나노시트로 [27]. 획득한 Ti₃에서 C₂ T_x 나노시트, 티타늄 원자가 밀집된 구조로 배열되어 있고, 탄소 원자가 팔면체 틈새 사이트를 채우고 있으며, T_x (–F, –OH, =O)는 적층 샌드위치 구조를 형성하는 외부 Ti 층의 표면에 있었다. 마찬가지로 Nb₂의 경우 CT_x , 니오븀 원자는 8면체 정점 위치를 채우고 계층화된 ABAB 구조를 조립합니다. 그림 1에서 관찰된 Tyndall 산란 효과는 Ti₃ C₂ T_x 솔루션 및 Nb₂ CT_x 용액의 안정성과 분산성이 우수하여 각 층의 균일성을 보장합니다. 마지막으로, 교대 층의 MXene 복합 나노시트 필름은 진공 여과 하에서 ABAB 적층을 통해 구성되었습니다(추가 파일 1:그림 S1).

<그림>

교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 제조 공정에 대한 개략도

교대층 MXene 복합 나노시트 필름의 특성은 그림 2에 나와 있습니다. 에칭을 통해 Ti₃에서 Al 원자 성층화 AlC_2, 획득한 소수층 Ti₃ C₂ T_x 는 그림 2a와 같이 일반적인 MXene과 같은 전형적인 적층 구조를 나타냅니다. 그림 2b-f에서 볼 수 있듯이 5%, 10%, 15%, 20% 및 25%의 교대 층 MXene 복합 나노시트 필름의 중량비는 느슨한 다층 구조를 가지고 있습니다. 또한 Nb₂일 때 CT_x 함량이 5 중량%에서 10 중량%로 증가하면 복합 필름의 나노시트 사이의 나노스케일 층간 간격이 점차 증가합니다. 15 내지 25wt%에서 복합 필름의 나노시트 사이의 나노크기 층간 간격은 큰 변화가 없다. 따라서 박리된 Ti₃ C₂ T_x 나노시트 및 교대로 적층된 MXene 나노시트가 성공적으로 준비되었습니다. Nb₂의 균일한 혼합 정도를 설명하려면 CT_x 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 나노시트, 단면의 에너지 분산 X선 분광법(EDS) 매핑 사진을 얻습니다. Nb, Ti, O 및 F 요소는 그림 2h(및 추가 파일 1:그림 S2)와 같이 스캔된 영역 전체에서 감지됩니다. Nb 및 Ti 원소가 복합 필름에서 균등하게 분포되어 Ti₃ C₂ T_x 및 Nb₂ CT_x 나노시트가 균일하게 적층됩니다. 재료 상과 Ti₃ 사이의 층간 간격 변화를 추가로 분석하기 위해 C₂ T_x 및 Nb₂ CT_x 나노시트, X선 회절계(XRD) 측정은 순수한 Ti₃에서 수행되었습니다. C₂ T_x 및 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름. 추가 파일 1:그림 S4a에 자세히 설명된 대로 선택적 에칭 및 박리 후 제조된 순수 Ti₃ C₂ T_x 필름은 이전에 보고된 결과와 일치하는 7.15°에서 강한 (002) 회절 피크를 나타냅니다[11, 33, 37]. 추가 파일 1:그림 S4b에서 볼 수 있듯이 (002) 회절 피크가 Nb₂에 대해 12.86°에서 이동함을 알 수 있습니다. Nb₂의 경우 AlC MAX 7.05° CT_x Al 원자 층의 완전한 에칭으로 인한 막 [27]. XPS 결과는 추가 파일 1:그림 S3에 표시됩니다. 그림 S3b에서 교대로 적층된 MXene의 F1s 스펙트럼은 각각 Ti-F 및 Al-F를 나타내는 684.72 및 686.45eV에서 두 개의 피크로 디컨볼루션될 수 있습니다. [15, 16] XRD 결과도 그림 2j에 나열되어 있습니다. 순수 Ti₃ 간의 비교 C₂ T_x 필름과 5wt% 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름은 Nb₂의 도입을 나타내는 회절 피크(002)의 강도가 분명히 감소함을 보여줍니다. CT_x 나노시트. Nb₂로 CT_x 함량이 10에서 15wt%로 증가하면 회절각의 변화가 점차 감소하는데, 이는 Nb₂ 사이의 상호작용으로 인해 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름 층간 간격이 점차적으로 증가함을 의미합니다. CT_x 나노시트 및 Ti₃ C₂ T_x 나노시트. 그러나 Nb₂ CT_x 함량이 20에서 25wt%로 증가하면 회절각이 0.6170에서 0.7536nm로 점차 증가합니다(추가 파일 1:표 S1에서). 결과는 과도한 Nb₂의 도입으로 인해 CT_x 나노시트, Nb₂ CT_x 나노시트 및 Ti₃ C₂ T_x 나노시트가 쌓이고, 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 층간 간격이 감소합니다(0.7530에서 0.7371 nm로). XRD 결과는 SEM 결과와 일치합니다. 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 조성을 추가로 확인하기 위해 라만 분석도 수행했습니다. 그림 2k는 Nb₂의 라만 스펙트럼을 보여줍니다. CT_x , Ti₃ C₂ T_x , 및 다른 Nb₂를 갖는 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름 CT_x 내용물. 샘플은 Ti₃에 대해 예상되는 진동 모드를 보여줍니다. C₂ T_x (그림 2k). 157, 254, 423, 615cm에서 피크⁻¹ E에 할당됨 _g 교대로 적층된 MXene 복합 필름에서 Ti 및 C 원자의 평면 외 진동의 진동 모드. 197cm의 피크⁻¹ A에 귀속됨 _g 평면 내 Ti, C 및 표면 작용기 원자의 진동 모드 [38]. 순수 Ti₃와 비교 C₂ T_x 필름, E의 강도 및 반폭 _g 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 피크가 변경되어 평면 내 Ti 및 C 진동, 표면 그룹 및 층간 간격이 모두 변경되었음을 나타냅니다[39]. 이는 Nb_{2<사이의 반응에 기인할 수 있습니다. /서브> CT_x 나노시트 및 Ti₃ C₂ T_x 나노시트.}

<그림>

아 Ti₃의 일반적인 SEM 이미지 C₂ T_x 영화. Nb₂를 포함하는 교대로 적층된 MXene 복합 필름 단면의 단면 SEM 이미지 CT_x 내용:b 5중량%, c 10중량% d 15중량%, e 20중량%, f 25중량%. 아 15wt% 교대로 적층된 MXene 필름의 EDS 매핑 데이터. j 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 XRD 패턴. 케이 Ti₃의 라만 스펙트럼 C₂ T_x 및 다양한 비율의 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름

그림 3a는 접촉 마찰 대전 및 정전기 유도를 포함하는 AM-TENG의 작동 메커니즘을 보여줍니다[40]. AM-TENG는 상부 나일론 필름과 하부 교대층 MXene 복합 나노시트 필름이 각각 양극 및 음극 유전층으로 작동하는 접촉 분리 모드에서 작동합니다. 두 마찰 표면 사이에 생성된 전하는 전기장을 형성합니다. 거리의 변화는 외부 회로의 두 전극 사이에 변위 전류가 뒤따르는 변경 가능한 전기장을 생성합니다. 결과적으로 트리거가 주기적으로 TENG에 적용되고 해제되면 전자는 주기적 접촉 및 분리 중에 앞뒤로 당겨져 외부 회로를 통해 교류를 생성합니다. Nb₂의 역할을 평가하려면 CT_x , Nb₂가 있는 AM-TENG의 전기 출력 CT_x 개방 회로 전압(V _oc ), 단락 전류(I _sc ) 밀도 및 전달된 전하 밀도(Q _sc ). 그림 3b-d와 같이 동일한 조건에서 동일한 두께의 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름을 기반으로 하는 TENG를 측정했습니다. 분명히 나는 _sc 밀도, V _oc , 및 Q _sc 순수 Ti₃에 비해 15 wt% AM-TENG 동시 증가 C₂ T_x 영화. Nb₂의 양으로 CT_x 15wt%로 증가, 생성된 출력 I _sc 밀도, V _oc , 및 Q _sc AM-TENG의 최대 8.06μA/cm² 까지 점진적으로 증가 , 34.63 V 및 11.19 nC, 이는 순수 Ti₃의 8.4배, 3.5배 및 3.6배입니다. C₂ T_x 필름(0.96μA/cm² , 9.94V 및 3.08nC), 그림 3a 및 b에 설명된 대로. 단, Nb₂의 무게가 CT_x 15%에서 25%로 추가 증가, I _sc 밀도, V _oc , 및 Q _sc 1.97μA/cm² 로 감소 , 19.74V 및 5.30nC입니다. 추가 파일 1:그림 S5는 I의 변동 추세를 요약합니다. _sc 밀도, V _oc , 및 Q _sc Nb₂의 기울기 증가로 CT_x 중량비.

<그림>

아 접촉 분리 작업 모드에서 AM-TENG의 개략도. ㄴ V _oc , ㄷ 나 _sc 밀도 및 d 질문 _sc Nb₂가 다른 AM-TENG의 신호 CT_x 2Hz의 콘텐츠입니다. 이 Nb₂가 다른 교대층 MXene 복합 나노시트 필름의 유전상수 CT_x 내용

AM-TENG의 접점 분리 모드의 경우 유전 상수는 출력 성능을 결정하는 중요한 매개변수입니다. 따라서 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름의 유전 상수는 0.1~1000MHz의 주파수 범위에서 복잡한 유전율 모델을 특징으로 합니다. 그런 다음 Ti₃의 유전 상수는 C₂ T_x 및 Nb₂가 다른 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름 CT_x 농도와 빈도는 그림 3에 나와 있습니다. 도 3에서 도핑비가 0에서 15wt%로 증가함에 따라 유전상수가 0.02에서 0.04로 증가함을 알 수 있다. 중량비가 25wt%까지 증가함에 따라 유전 상수는 0.03에서 0.02로 감소합니다. 교대층 MXene 복합 나노시트 필름의 유전 상수는 순수 Ti₃보다 높습니다. C₂ T_x 마이크로커패시터 계면 네트워크의 형성으로 인한 필름 [21]. 더 높은 농도에서 Ti₃ 사이의 전도성 C₂ T_x 및 Nb₂ CT_x 아마도 응집되어 전도성 네트워크를 형성하고 따라서 교대로 적층된 MXene 필름의 유전 특성을 파괴합니다. 따라서 누전으로 인해 출력 성능이 저하될 수 있다[41]. 결과는 최대 유전 상수가 15wt% Nb₂ CT_x 농도는 그림 3b-d의 전기적 결과와 잘 일치합니다. 즉, 유전 상수가 증가함에 따라 Nb₂ CT_x 내용은 마찰전기 성능을 더욱 향상시켰습니다.

AM-TENG의 출력과 필러 농도 간의 이론적 관계를 더욱 명확히 하기 위해 추가 파일 1:그림 S6에서 TENG를 평면 패널 커패시터 모델로 축소할 수 있습니다. 에어 갭 및 유전체의 전기장 강도는 [42]로 제공됩니다.

내부 유전체 1

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

내부 유전체 2

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

내부 에어 갭

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

$\upsigma _{c}$는 표면 전하 밀도입니다. 거리(x 두 마찰전기층의 )은 기계적 힘에 따라 달라지며, $\upsigma _{I}$(x, t)는 전극에서 자유 전자를 전달합니다. ${{\varvec{\upvarepsilon}}}}_{o}$는 진공 유전율이고 d ₁ 그리고 d ₂ 유전 물질의 두께입니다. ${{\varvec{\upvarvec{\upvarepsilon}}}}_{r1}$ 및 ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r2}$는 유전체 1의 비유전율과 유전체의 비유전율입니다. 각각 2.

두 전극 사이의 전압은 다음과 같이 주어질 수 있습니다.

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

단락 조건 및 V에서 =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)

식 (5)는 전달 전하 밀도 $\upsigma _{I}$가 유전체 표면의 마찰 전하 밀도 $\upsigma _{c}$ 및 유전율 $ {{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$ 및 ${{\varvec{\upvarepsilon}}}_{r1}$, 각각. 공식에 따르면 유전 물질의 유전 상수가 증가함에 따라 전기 출력이 증가하여 그림 3의 실험 결과를 확고하게 뒷받침합니다.

교대층 MXene 복합 나노시트 필름의 마찰 특성을 추가로 추정하기 위해 동일한 -F 작용기를 가진 상용 PTFE 필름을 비교했습니다. 그림 4a–c와 같이 동일한 테스트 조건에서 I _pp-sc 8.65μA/cm² , V _oc 37.63 V 및 Q _sc 13.24 nC의 온도는 상용 PTFE 필름의 4.3배, 3.3배, 3.0배입니다. 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름이 유망한 마찰전기 재료임을 보여줍니다. 그림 4d는 15wt%의 Nb₂를 포함하는 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름을 기반으로 한 전류 밀도, 전압을 나타냅니다. CT_x 0.01 ~ 80MΩ 범위의 외부 부하 저항 기능입니다. 분명히 단락 전류 밀도는 연결된 외부 저항이 증가함에 따라 감소하는 반면 V _oc 증가 추세를 따른다. TENG의 순시 전력은 저항으로 측정된 부하 전압 및 전류 밀도를 계산하여 얻습니다. TENG의 해당 피크 전력은 약 0.10mW/cm² 입니다. 5MΩ의 부하 저항에서(그림 4e). 우리는 또한 에너지 수확기 및 전원 공급 장치로서 TENG의 실제 적용을 탐구했습니다. 정류 후 180초 동안 1.0μF, 2.2μF, 3.3μF, 4.7μF 및 10.0μF 커패시터를 충전하여 저장할 수 있는 전압은 각각 2.92V, 1.92V, 1.29V, 1.06V, 0.40.22V, (그림 4f).

<그림>

15% Nb₂가 포함된 복합 필름 기반 AM-TENG의 출력 성능 CT_x 내용물 또는 상업용 PTFE 필름. 아 V _oc , b 나 _sc 밀도 및 c 질문 _sc . d 출력 전류 밀도 및 전압 및 e 15wt%의 Nb₂를 포함하는 복합 필름을 기반으로 한 am-TENG의 전력 밀도 CT_x 외부 부하 저항의 함수로서의 내용. 에 다양한 정전용량에서 교대층 MXene 복합 나노시트 필름의 충전 성능 분석

또한 AM-TENG은 단순한 인간의 움직임에서 기계적 에너지를 수집하고 이를 전기 신호로 변환할 수 있습니다. V _oc 마우스 사용, 문자 보내기, 타이핑, 손뼉치기, 손 두드리기, 손뼉치기와 같은 다양한 인간 동작 하에서 장치가 기록되었습니다. 그림 5a 및 지원 정보의 추가 파일 2:동영상 1과 같이 마우스를 계속 사용하면 V가 생성됩니다. _oc of 2.45 V. 이후에 휴대폰에서 슬라이딩 및 문자 메시지를 보낼 때(그림 5b 및 추가 파일 3:동영상 2) 결과는 V _oc 2.46V의 값을 얻었습니다. 그 후 그림 5c와 5d에서 볼 수 있듯이(추가 파일 4, 5:동영상 3, 4) 손으로 두드리는 다리와 손으로 두드리는 다리는 V를 생성합니다. _oc 각각 9.30V 및 18.68V입니다. 그런 다음 그림 5e 및 추가 파일 6:비디오 5에서 손으로 다리를 두드리면 V가 생성됨을 확인합니다. _oc of 18.72 V. 마지막으로 그림 5f(추가 파일 7:동영상 6)에서 V _oc 27.61V의 음은 박수로 생성됩니다. 요약하자면, AM-TENG은 휴대용 애플리케이션에서 엄청난 애플리케이션 잠재력을 가지고 있는 것이 분명해졌습니다.

<그림>

V _oc 다른 동작 상태에서 AM-TENG의 신호. 아 마우스 사용, b 문자 메시지, c d 입력 손으로 때리기, e 손으로 탭하기, f 박수

결론

요약하면, 층별 적층을 통해 -F 그룹이 풍부한 교대 층 MXene 복합 나노시트 필름을 기반으로 하는 고성능 TENG가 성공적으로 제작되었습니다. 도입된 Nb₂ CT_x 중간층은 복합 필름의 균일한 고유 미세 구조를 약속하고 효과적인 -F 그룹에 대해 더 많은 나노채널을 제공할 뿐만 아니라 유전 상수도 증가시킵니다. Nb₂의 양이 CT_x 15wt%로 증가하면 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름을 기반으로 하는 TENG가 최대 출력을 달성합니다. 단락 전류 밀도 및 전압 8.06μA/cm² 및 34.63 V는 순수 Ti₃의 8.4배 및 3.5배입니다. C₂ T_x 필름은 상용 폴리(테트라플루오로에틸렌)(PTFE) 필름보다 4.3배, 3.3배 높다. 또한, 제작된 TENG를 인체에 부착하여 타이핑, 문자 메시지, 손뼉치기와 같은 간단한 인간 동작에서 에너지를 수확할 수 있습니다. 결과는 층별 적층을 통해 교대로 적층된 MXene 복합 나노시트 필름이 마찰전기 재료 제품군을 풍부하게 하고 고출력 TENG에 대한 새로운 선택을 제공하는 현저한 마찰전기 성능을 가질 수 있음을 보여줍니다.

데이터 및 자료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 사용할 수 있습니다.

약어

영어:: 마찰전기 나노발전기
F:: 불소 그룹
PTFE:: 폴리(테트라플루오로에틸렌)
2D:: 2차원
AM-TENG:: Alternate-layered MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG
XRD:: X선 회절계
SEM:: 주사 전자 현미경
EDS:: 에너지 분산 X선 분광기
I-PrA:: 이소프로필아민
V _oc :: 개방 회로 전압
나 _sc :: 단락 전류 밀도
질문 _sc :: 전송된 전하 밀도

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나노물질