고성능 MXene 복합 필름 TENG로 우수한 전기적 출력 달성

초록

마찰전기 나노발전기(TENG)의 출력 전력은 마찰전기 물질, 특히 이들의 미세구조와 작용기 성능에 크게 의존한다. 본 연구에서는 우수한 마찰전기 능력을 목표로, 층별 적층을 통해 풍부한 불소 기(-F)를 가진 교대 층상 MXene 복합 필름 기반 TENG를 설계 및 제작하였다. 균일한 고유 미세구조와 증가된 유전율 덕분에 Nb₂CT_x 나노시트 양이 15 wt%로 증가할 때, Nb₂CT_x/Ti₃C₂T_x 복합 나노시트 필름 기반 TENG가 최대 출력을 달성하였다. 단락 전류 밀도 8.06 μA/cm²와 전압 34.63 V는 순수 Ti₃C₂T_x 필름보다 각각 8.4배, 3.5배, 상용 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름보다 각각 3.3배, 4.3배 높다. 또한 제작된 TENG는 인체에 부착하여 타이핑, 문자 입력, 손뼉 치기 등 인체 동작으로부터 에너지를 수확할 수 있다. 결과는 층별 적층을 통한 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름이 놀라운 마찰전기 성능을 가짐을 입증하며, 음성 마찰전기 물질 선택지를 넓히고 고출력 TENG를 위한 새로운 선택지를 제공한다.

서론

지구 온난화가 지속됨에 따라 친환경 에너지 수확 기술 개발이 시급하다. 접촉 대전과 정전 유도 결합 효과 기반 TENG는 주변 기계적 에너지를 전기 에너지로 효과적으로 변환하는 강력한 기술로 간주된다 [1,2,3]. 현재까지 경량, 쉬운 제조, 다양한 물질 선택, 높은 에너지 변환 효율 등의 장점으로 다양한 유형의 TENG가 광범위하게 연구되어 왔다 [4,5,6]. 이론과 실험이 마찰전기 물질 최적화를 통해 TENG 성능을 향상시킬 수 있음을 검증했음에도 불구하고, 고출력 TENG 제작은 여전히 중요한 과제로 남아 있다. 여러 선행 연구에 따르면 일부 특수 작용기(-F [7], -NH₂ [8], -CH₃ [9])가 마찰전기 물질의 전자 획득/손실 능력에 영향을 미쳐 TENG의 접촉 마찰전기 성능을 효과적으로 조절할 수 있다 [10].

MXene은 새로운 2차원(2D) 나노소재 계열로, 전구체 MAX 상에서 "A" 원소를 선택적으로 에칭하여 합성할 수 있는 새로운 유형의 층상 전이 금속 탄화물 또는 질화물이다 [11]. MXene의 일반식은 M_n+1X_nT_x이며, 여기서 M, X, T_x는 각각 전이 금속(Sc, Ti, Zr, Hf, V, Nb 등), C 또는 N(n=1, 2, 3), 다양한 표면 종결 기(-F, -OH, =O)를 나타낸다 [12,13,14]. -F 기는 가장 강한 전자 인출 능력을 가지며, -F 기 밀도가 높을수록 더 강한 전하 밀도를 초래한다 [15]. 교대 층상 MXene 나노시트 간 나노스케일 층간 간격 증가는 -F 기 채널을 효과적으로 증가시켜 복합 필름 나노시트 간 더 많은 -F 기 흐름에 유리하다. 따라서 MXene은 TENG용 이상적인 음성 마찰전기 물질로 기대된다 [16,17,18]. 모든 전기방사 폴리비닐알코올/Ti₃C₂T_x 나노파이버 기반 유연 TENG에서 Ti₃C₂T_x 도입이 유전 특성을 크게 향상시켜 마찰전기 출력 성능을 개선함이 보고되었다 [19]. 한편 Wang 등은 단방향 동결건조 및 진공 보조 함침법으로 제조된 3차원 상호연결 Ti₃C₂T_x를 음성 마찰전기 물질로 하는 폴리디메틸실록산 나노복합체를 제시하였다 [20]. Cao 등은 다양한 인체 동작으로부터 보편적 에너지 수확을 위한 새로운 직물 Ti₃C₂T_x/Ecoflex 나노복합체 기반 고성능 방수 TENG를 보고하였다 [21].

그러나 다른 많은 2D 소재처럼 MXene 성능은 응집으로 인해 저해된다 [22], 이는 -F 기를 위한 제한된 나노채널을 초래한다 [23]. 전기화학적 특성을 충분히 활용하기 위해 다공성 구조와 층간 스페이서를 가진 Ti₃C₂T_x 나노시트가 보고되었다 [24]. MXene에 층간 스페이서 [25,26,27](그래핀 [28], 고분자 [29,30], 산화 그래핀 [31], 금속 산화물 나노입자 [32] 등)를 도입하는 것도 TENG 출력 성능을 크게 향상시켰다.

여기서 층 적층 구조를 채택하여 풍부한 -F 기와 균일한 고유 미세구조를 가진 교대 층상 MXene 복합 필름을 설계 및 제작하였다. Nb₂CT_x 나노시트는 탄소 기반 나노소재보다 높은 전기음성도로 인해 스페이서로 선택되었으며, Ti₃C₂T_x는 높은 전기음성도로 인해 벌크 물질로 사용되었다. 준비된 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름은 Ti₃C₂T_x 나노시트 자가 재적층을 효과적으로 줄이고 Ti₃C₂T_x 나노시트 간 층간 간격을 증가시켜 -F 기를 위한 더 효과적인 나노채널을 제공한다. Nb₂CT_x 중량비 15%에서 이러한 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG(AM-TENG)가 최적 성능을 달성함을 발견하였다. 최대 출력 전류 밀도와 전압은 각각 8.06 μA/cm²와 34.63 V로, 순수 Ti₃C₂T_x 필름보다 각각 8.4배, 3.5배, 상용 PTFE 필름보다 각각 4.1배, 4.2배 높다. 또한 커패시터 충전을 통해 교대 층상 MXene 복합 필름 기반 TENG의 에너지 수확 능력을 입증하였다. 이 연구는 고효율 친환경 에너지 수확을 위한 새로운 유형의 마찰전기 물질을 입증한다.

방법

재료

사용된 모든 화학물질은 추가 정제 없이 사용하였다. Ti₃AlC₂와 Nb₂AlC 분말은 산동 희연 신소재 기술 유한회사에서 구입하였다. 이소프로필아민은 상하이 알라딘 바이오켐 기술 유한회사에서 제공하였다.

제조

첫째, 1.6 g LiF(알라딘)를 20 mL 염산(Sigma, 9 M) 용액에 녹였다. 그런 다음 1.0 g Ti₃AlC₂를 지속적 교반 하에 상기 혼합물에 천천히(10분 내) 첨가하였다. 이후 35 ℃에서 1일간 반응을 계속하였다. 셋째, 제조된 현탁액을 pH가 6에 도달할 때까지 탈이온수로 여러 번 세척하였다. 마지막으로 균질한 Ti₃C₂T_x 용액을 얼음 욕조에서 1시간 초음파 처리하고 추가로 3500 rpm에서 1시간 원심분리하였다. 총 1 g Nb₂AlC 분말을 10 mL 50 중량% 플루오르화수소 용액에 점차적으로(5분 내) 첨가하였다. 그런 다음 35 °C에서 2일간 지속적으로 교반하여 Nb₂AlC에서 Al 층을 에칭하였다. 원심분리와 탈이온수로 반복 세척 후, pH 6 이상인 수집된 침전물을 10 mL 이소프로필아민 용액에 실온에서 1일간 분산시켜 추가 층간 삽입을 수행하였다. 원심분리 후 습한 침전물을 100 mL 탈이온수에 분산시켰다. 마지막으로 3500 rpm 회전 속도에서 1시간 원심분리 단계 후 균질한 Nb₂CT_x 용액을 얻었다.

TENG 제작

접촉-분리 모드에서 작동하는 TENG를 제작하였다. 먼저 구리 박편을 아크릴 보드에 부착하여 1 cm × 1 cm 크기(길이 × 너비) 정사각형 전극을 형성하였다. 그런 다음 Cu 박편에 부착된 1 cm × 1 cm 나일론 필름을 마찰층으로 사용하였다. 이후 복합 교대 층상 MXene 복합 필름을 마찰층으로 하는 상대편 대응물을 동일한 단계로 제작하였다. PTFE-TENG와 비교할 때 유일한 차이점은 상용 PTFE 필름 대신 교대 층상 MXene 복합 필름을 사용한다는 것이다. 개방회로 출력 전압, 단락 전류, 이동 전하는 Keithley 6517B 전위차계로 측정하였다. 리니어 모터(Linmot E1100)를 사용하여 2 Hz 주파수로 외부 주기적 트리거를 제공하였다.

물질 특성 분석

결정 구조는 분말 X-선 회절계(XRD, Ultima IV, 일본 과학, 2θ 범위 5°-60°)로 Cu Kα 방사선을 사용하여 특성화하였다. 나노시트 형태는 주사 전자 현미경(SEM, Hitachi SU8010)으로 확인하였고, 에너지 분산형 X-선 분광법(EDS) 매핑은 동일 장비(IXRF SYSTEMS)에서 수행하였다. 라만(LABRAM HR EVOLUTION) 스펙트럼은 532 nm 여기 파장과 1800 lines/mm 분광 격자를 가진 공초점 라만 현미경으로 획득하였다. 스펙트럼은 50× 대물렌즈를 통해 레이저를 초점화하여 획득하였다. LCR 미터(Hioki, IM 3536)로 나노시트 유전율을 평가하였다.

결과 및 논의

그림 1은 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름의 단계별 제작 공정 개략도이다. 몇 층의 Ti₃C₂T_x MXene은 HCl/LiF 용액으로 전구체 Ti₃AlC₂를 에칭하여 제조[33]하고 얼음 욕조에서 초음파 처리하였다(그림 1 I). 그림 1 II에 따르면, Nb₂AlC MAX 상에서 HF로 Al 원자 층을 에칭하였다 [27, 34,35,36]. 이소프로필아민(I-PrA) 용액을 다층 Nb₂CT_x 사이에 삽입하여 층간 간격을 확대하고, 수동 흔들기로 Nb₂CT_x를 몇 층 나노시트로 박리하였다 [27]. 획득된 Ti₃C₂T_x 나노시트에서 티타늄 원자는 조밀 충전 구조로 배열되고, 탄소 원자는 팔면체 간극을 채우며, T_x(-F, -OH, =O)는 외부 Ti 층 표면에 있어 층상 샌드위치 구조를 형성한다. 마찬가지로 Nb₂CT_x에서 니오븀 원자는 팔면체 꼭짓점 위치를 채우며 층상 ABAB 구조를 조립한다. 그림 1에서 관찰된 틴들 산란 효과는 Ti₃C₂T_x 용액과 Nb₂CT_x 용액 모두 우수한 안정성과 분산성을 가짐을 반영하며, 각 층의 균일성을 보장한다. 마지막으로 진공 여과 하에서 ABAB 적층을 통해 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름을 구성하였다(추가 파일 1: 그림 S1).

교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 특성 분석은 그림 2에 제시되어 있다. Ti₃AlC₂에서 Al 원자 층 에칭을 통해 획득된 몇 층 Ti₃C₂T_x는 그림 2a에 표시된 것처럼 전형적인 적층 구조를 나타내며, 이는 전형적인 MXene과 유사하다. 그림 2b-f에 표시된 것처럼, 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름의 중량비 5%, 10%, 15%, 20%, 25%는 느슨한 다층 구조를 가진다. 또한 Nb₂CT_x 함량이 5에서 10 wt%로 증가할 때, 복합 필름 나노시트 간 나노스케일 층간 간격이 점차 증가한다. 15에서 25 wt%로 증가할 때, 복합 필름 나노시트 간 나노스케일 층간 간격에 큰 변화는 없다. 따라서 박리된 Ti₃C₂T_x 나노시트와 교대 층상 MXene 나노시트가 성공적으로 제조되었다. 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 내 Nb₂CT_x 나노시트 균질 혼합 정도를 설명하기 위해 단면 EDS 매핑 이미지를 얻었다. Nb, Ti, O, F 원소가 스캔 영역 전체에서 검출되었으며, 그림 2h(및 추가 파일 1: 그림 S2)에 표시되어 있다. Nb와 Ti 원소가 복합 필름에서 균등하게 분포되어 Ti₃C₂T_x와 Nb₂CT_x 나노시트가 균일하게 적층됨을 관찰할 수 있다. 물질 상과 Ti₃C₂T_x 및 Nb₂CT_x 나노시트 간 층간 간격 변화를 추가 분석하기 위해 순수 Ti₃C₂T_x와 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름에 X-선 회절계(XRD) 측정을 수행하였다. 추가 파일 1: 그림 S4a에 상세히 나와 있듯이, 선택적 에칭과 박리 후 제조된 순수 Ti₃C₂T_x 필름은 7.15°에서 강한 (002) 회절 피크를 보이며, 이는 이전 보고 결과와 일치한다 [11, 33, 37]. 추가 파일 1: 그림 S4b에서 볼 수 있듯이, (002) 회절 피크가 Nb₂AlC MAX의 12.86°에서 Nb₂CT_x 필름의 7.05°로 이동하며 Al 원자 층 완전 에칭으로 인한 것이다 [27]. XPS 결과는 추가 파일 1: 그림 S3에 표시되어 있다. 그림 S3b의 교대 층상 MXene F 1s 스펙트럼은 684.72 eV와 686.45 eV 두 피크로 디콘볼루션될 수 있으며, 각각 Ti-F와 Al-F를 나타낸다 [15, 16]. XRD 결과는 그림 2j에도 나열되어 있다. 순수 Ti₃C₂T_x 필름과 5 wt% 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 비교에서 회절 피크 (002) 강도가 명백히 감소하여 Nb₂CT_x 나노시트 도입을 나타낸다. Nb₂CT_x 함량이 10에서 15 wt%로 증가함에 따라 회절 각도 변화가 점차 감소하며, 이는 Nb₂CT_x 나노시트와 Ti₃C₂T_x 나노시트 간 상호작용으로 인해 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 층간 간격이 점차 증가함을 의미한다. 그러나 Nb₂CT_x 함량이 20에서 25 wt%로 더 증가하면 회절 각도가 0.6170에서 0.7536 nm로 점차 증가한다(추가 파일 1: 표 S1). 결과는 과도한 Nb₂CT_x 나노시트 도입으로 인해 Nb₂CT_x 나노시트와 Ti₃C₂T_x 나노시트가 쌓이게 되고, 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 층간 간격이 감소함(0.7530에서 0.7371 nm)을 보여준다. XRD 결과는 SEM 결과와 일치한다. 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 조성을 추가 확인하기 위해 라만 분석도 수행하였다. 그림 2k는 Nb₂CT_x, Ti₃C₂T_x, 그리고 서로 다른 Nb₂CT_x 함량을 가진 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름의 라만 스펙트럼을 보여준다. 시료들은 교대 층상 MXene 복합 필름에서 Ti와 C 원자의 면외 진동 E_g 진동 모드에 기인한 157, 254, 423, 615 cm⁻¹ 피크를 포함하여 Ti₃C₂T_x에 예상되는 진동 모드를 보여준다. 197 cm⁻¹ 피크는 Ti, C, 표면 작용기 원자의 면내 진동 A_g 진동 모드에 기인한다 [38]. 순수 Ti₃C₂T_x 필름과 비교하여 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름의 E_g 피크 강도와 반폭이 변화하였으며, 이는 면내 Ti와 C 진동, 표면 기, 층간 간격이 모두 변화했음을 나타내며 [39], 이는 Nb₂CT_x 나노시트와 Ti₃C₂T_x 나노시트 간 반응에 기인할 수 있다.

그림 3a는 AM-TENG 작동 메커니즘을 보여주며, 접촉 마찰전기화와 정전 유도를 포함한다 [40]. AM-TENG는 접촉-분리 모드에서 작동하며, 상부 나일론 필름과 하부 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름이 각각 양성 및 음성 유전체 층으로 작동한다. 두 마찰 표면 사이에 생성된 전하가 전기장을 형성한다. 거리 변화가 변화하는 전기장을 생성하고, 외부 회로 두 전극 사이에 변위 전류가 발생한다. 결과적으로 주기적으로 TENG에 트리거가 가해지고 해제됨에 따라 전자가 주기적 접촉과 분리 동안 왕복하며 외부 회로를 통해 교류를 생성한다. Nb₂CT_x 역할을 평가하기 위해 0-25% Nb₂CT_x 중량비 범위에서 AM-TENG 전기적 출력을 수행하였으며, 개방회로 전압(V_oc), 단락 전류(I_sc) 밀도, 이동 전하 밀도(Q_sc)를 포함한다. 동일한 두께를 가진 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG를 동일한 조건에서 측정하였으며, 그림 3b-d에 표시되어 있다. 명백히 15 wt% AM-TENG의 I_sc 밀도, V_oc, Q_sc가 순수 Ti₃C₂T_x 필름에 비해 동시에 현저히 증가함을 볼 수 있다. Nb₂CT_x 양이 15 wt%로 증가함에 따라 AM-TENG 생성 출력 I_sc 밀도, V_oc, Q_sc가 각각 8.06 μA/cm², 34.63 V, 11.19 nC까지 점차 증가하며, 이는 순수 Ti₃C₂T_x 필름(0.96 μA/cm², 9.94 V, 3.08 nC)보다 각각 8.4배, 3.5배, 3.6배 높다(그림 3a, b 참조). 그러나 Nb₂CT_x 중량량이 15에서 25%로 더 증가하면 I_sc 밀도, V_oc, Q_sc가 각각 1.97 μA/cm², 19.74 V, 5.30 nC로 감소한다. 추가 파일 1: 그림 S5는 Nb₂CT_x 중량비 점진적 증가에 따른 I_sc 밀도, V_oc, Q_sc 변화 추세를 요약한다.

AM-TENG 접촉-분리 모드에서 유전율은 출력 성능을 결정하는 중요한 파라미터이다. 따라서 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 유전율을 0.1-1000 MHz 주파수 범위에서 복소 유전율 모델로 특성화하였다. 그런 다음 Ti₃C₂T_x와 서로 다른 Nb₂CT_x 농도 및 주파수에서의 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 유전율을 그림 3e에 표시하였다. 그림 3e에서 볼 수 있듯이, 도핑 비율이 0에서 15 wt%로 증가함에 따라 유전율이 0.02에서 0.04로 증가한다. 중량비가 25 wt%까지 더 증가하면 유전율이 0.03에서 0.02로 감소한다. 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 유전율은 마이크로커패시터 계면 네트워크 형성 [21]으로 인해 순수 Ti₃C₂T_x 필름보다 높다. 더 높은 농도에서는 Ti₃C₂T_x와 Nb₂CT_x 간 전도가 응집되어 전도성 네트워크를 형성하고 교대 층상 MXene 필름 유전 특성을 파괴할 가능성이 있다. 따라서 누설 전류가 출력 성능 감소로 이어질 수 있다 [41]. 결과는 15 wt% Nb₂CT_x 농도에서 최대 유전율을 얻음을 보여주며, 이는 그림 3b-d 전기적 결과와 잘 일치한다. 즉, 유전율 증가에 따라 Nb₂CT_x 함량이 마찰전기 성능을 추가로 향상시킨다.

AM-TENG 출력과 필러 농도 간 이론적 관계를 추가 명확히 하기 위해 TENG를 추가 파일 1: 그림 S6과 같은 평판 커패시터 모델로 단순화할 수 있다. 공기 갭과 유전체 내 전기장 강도는 [42]에 의해 주어진다:

유전체 1 내부

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

유전체 2 내부

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

공기 갭 내부

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

σ_c는 표면 전하 밀도이다. 두 마찰전기 층 거리(x)는 기계적 힘에 따라 변하며, σ_I(x, t)는 전극 내 이동 자유 전자이다. ε_o는 진공 유전율, d₁과 d₂는 유전체 물질 두께이다. ε_r1과 ε_r2는 각각 유전체 1과 유전체 2 상대 유전율이다.

두 전극 간 전압은 다음과 같이 주어진다:

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

단락 조건 및 V=0 하에서

$$\sigma_{I} (x,t) = \frac{x\sigma_{c}}{\frac{\varepsilon_{o} d_{1}}{\varepsilon_{r1}} + \frac{\varepsilon_{o} d_{1}}{\varepsilon_{r1}} + x}$$ (5)

식 (5)는 이동 전하 밀도 σ_I가 유전체 표면 마찰전기 전하 밀도 σ_c 증가와 유전체 유전율 ε_r1, ε_r2 증가에 따라 증가함을 보여준다. 공식에 따르면 유전체 물질 유전율 증가에 따라 전기적 출력이 증가하며, 이는 그림 3 실험 결과를 확고히 뒷받침한다.

교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 마찰 특성을 추가 추정하기 위해 동일한 -F 작용기를 가진 상용 PTFE 필름과 비교하였다. 동일한 테스트 조건에서 그림 4a-c에 표시된 것처럼, 8.65 μA/cm² I_pp-sc, 37.63 V V_oc, 13.24 nC Q_sc는 각각 상용 PTFE 필름보다 4.3배, 3.3배, 3.0배 높다. 이는 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름이 유망한 마찰전기 물질임을 보여준다. 그림 4d는 15 wt% Nb₂CT_x 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 출력 전류 밀도와 전압을 0.01-80 MΩ 외부 부하 저항 함수로 나타낸다. 명백히 단락 전류 밀도는 연결된 외부 저항 증가에 따라 감소하는 반면, V_oc는 증가 추세를 따른다. TENG 순간 전력은 측정된 부하 전압과 전류 밀도를 저항기로 계산하여 얻는다. TENG 해당 피크 전력은 5 MΩ 부하 저항에서 약 0.10 mW/cm²이다(그림 4e). 또한 TENG를 에너지 수확기와 전원 공급 장치로 실용적 응용을 탐구하였다. 정류 후 1.0 μF, 2.2 μF, 3.3 μF, 4.7 μF, 10.0 μF 커패시터를 180초 충전하여 저장할 수 있는 전압은 각각 2.92 V, 1.92 V, 1.29 V, 1.06 V, 0.48 V, 0.22 V이다(그림 4f).

또한 AM-TENG는 간단한 인체 동작으로부터 기계적 에너지를 수확하여 전기 신호로 변환할 수 있다. 마우스 사용, 문자 입력, 타이핑, 손뼉 치기, 손 두드리기, 손뼉 치기 등 다양한 인체 동작 하에서 장치 V_oc를 기록하였다. 그림 5a와 추가 파일 2: 비디오 1(보충 정보)에 표시된 것처럼, 지속적 마우스 사용으로 2.45 V V_oc 생성. 이후 휴대폰에서 슬라이딩 및 문자 입력 시(그림 5b, 추가 파일 3: 비디오 2) 2.46 V V_oc 획득. 이후 그림 5c, 5d(추가 파일 4, 5: 비디오 3, 4)에 나타난 것처럼 손 다리 치기와 손 다리 두드리기로 각각 9.30 V, 18.68 V V_oc 생성. 그리고 그림 5e(추가 파일 6: 비디오 5)에서 손 다리 두드리기로 18.72 V V_oc 생성 확인. 마지막으로 그림 5f(추가 파일 7: 비디오 6)에서 손뼉 치기로 27.61 V V_oc 생성. 요약하면 AM-TENG가 휴대용 응용 분야에 엄청난 응용 잠재력을 가짐이 명백하다.

결론

요약하자면, 층별 적층을 통해 풍부한 -F 기를 가진 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 고성능 TENG가 성공적으로 제작되었다. 도입된 Nb₂CT_x 중간층은 복합 필름 균일한 고유 미세구조를 보장할 뿐만 아니라 효과적인 -F 기를 위한 더 많은 나노채널을 제공하며, 유전율도 증가시킨다. Nb₂CT_x 양이 15 wt%로 증가할 때 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG가 최대 출력을 달성한다. 단락 전류 밀도 8.06 μA/cm²와 전압 34.63 V는 순수 Ti₃C₂T_x 필름보다 각각 8.4배, 3.5배, 상용 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 필름보다 각각 4.3배, 3.3배 높다. 또한 제작된 TENG는 인체에 부착하여 타이핑, 문자 입력, 손뼉 치기 등 간단한 인체 동작으로부터 에너지를 수확할 수 있다. 결과는 층별 적층을 통한 교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름이 놀라운 마찰전기 성능을 가짐을 입증하며, 마찰전기 물질군을 풍부하게 하고 고출력 TENG를 위한 새로운 선택지를 제공한다.

데이터 및 재료의 가용성

모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능하다.

약어

TENG:

마찰전기 나노발전기

F:

불소 기

PTFE:

폴리테트라플루오로에틸렌

2D:

2차원

AM-TENG:

교대 층상 MXene 복합 나노시트 필름 기반 TENG

XRD:

X-선 회절계

SEM:

주사 전자 현미경

EDS:

에너지 분산형 X-선 분광기

I-PrA:

이소프로필아민

V_oc:

개방회로 전압

I_sc:

단락 전류 밀도

Q_sc:

이동 전하 밀도