Электропрядение P3HT/ПВДФ

Том 12 научных докладов, номер статьи: 14842 (2022 г.) Цитировать эту статью

1805 Доступов

6 цитат

Подробности о метриках

В этой статье описывается простой метод электропрядения для изготовления трибоэлектрических наногенераторов (ТЭНГ) с полупроводниковыми нановолоконными матами из поли(3-гексилтиофена) (P3HT)/поли(винилиденфторид-ко-гексафторпропилена) (PVDF-HFP). Измерения электрических свойств полупроводниковых нановолокон ТЭНГ P3HT/PVDF-HFP показали, что выходное напряжение может быть увеличено до 78 В при выходном токе 7 мкА. Выходная мощность устройства достигла 0,55 мВт, достаточная для мгновенного питания 500 красных светодиодов, а также цифровых часов. Полупроводниковое нановолокно TENG P3HT/PVDF-HFP можно использовать не только в качестве устройства с автономным питанием, но и в качестве датчика для мониторинга действий человека. Кроме того, он продемонстрировал хорошую долговечность при 20 000 циклах испытаний на внешнюю силу.

Быстро растущий рынок персональной электроники, особенно носимой электроники и устройств для мониторинга здоровья и окружающей среды, увеличивает спрос на портативные источники питания1. В свете любого потенциально возникающего энергетического кризиса необходимо будет искать способы минимизировать электронные отходы, в частности, возникающие в результате производства и утилизации батарей. Альтернативные энергетические технологии, включая солнечные элементы2, термоэлектричество3,4 и наногенераторы5, исследуются для обеспечения электроэнергией портативной персональной электроники6. Наногенератор, разработанный группой Ванга7, является перспективным и привлекательным средством обеспечения энергией портативных устройств и в то же время минимизирует проблемы, связанные с утилизацией батарей и других внешних источников энергии. В общем, трибоэлектрические наногенераторы (ТЭНГ) преобразуют ненужную механическую энергию из различных источников в электричество; они привлекли большое внимание благодаря своей высокой эффективности преобразования энергии и недорогому изготовлению. Большинство материалов, используемых в ТЭНГ, происходят из органических веществ, поэтому их производство можно легко расширить до крупных масштабов с перспективным промышленным применением.

Принцип работы ТЭНГ включает в себя комбинированный эффект трибоэлектрификации и электростатической индукции во время контакта (или трения между) двух диэлектрических материалов, имеющих противоположную трибоэлектрическую полярность. Поскольку трибоэлектрификация представляет собой эффект поверхностной зарядки, структура и состав поверхностей трибоэлектрических материалов оказывают решающее влияние на выход ТЭНов. Модификация поверхности (например, контроль морфологии поверхности8,9,10 или введение заряженных ионов11,12,13) ​​может увеличить плотность поверхностного заряда за счет увеличения площади поверхности или разницы в трибоэлектрической полярности слоев. Альтернативно, увеличение диэлектрической проницаемости может повысить емкость диэлектрического слоя, тем самым увеличивая плотность поверхностного заряда. Таким образом, диэлектрическая проницаемость трибоэлектрического материала является еще одним важным фактором, влияющим на трибоэлектрические характеристики14.

Хотя практически все материалы обладают трибоэлектричеством, разработка новых трибоэлектрических материалов со специальной микро- и наноструктурой может улучшить выход ТЭНов15,16. Несколько типов материалов, включая изоляционные полимеры [например, политетрафторэтилен (ПТФЭ), нейлон, полидиметилсилоксан (ПДМС)]17,18, неорганические полупроводники (например, TiO2, ZnO)19,20, проводящие полимеры [например, полипиррол (PPy), полианилин (ПАНИ)]13,21,22 и металлы (например, Au, Al)23,24 использовались в качестве трибоэлектрических материалов в ТЭНГ. Хотя ТЭН с улучшенными характеристиками был получен при использовании химически модифицированных неорганических полупроводниковых наноматериалов TiO220, для изготовления наноматериалов TiO2 требуются высокие температуры. Ван и др. подготовили ТЭНГ, включающий проводящий полимер PPy21, но их подход требовал электрохимической полимеризации с анодным оксидом алюминия (ААО) в качестве матрицы, что делало процесс изготовления трудоемким и дорогостоящим. Метод электроспиннинга широко использовался для создания наногенераторов с волокнистой структурой. Сообщалось об изготовлении нановолокон электропрядения ионного геля для гибкого трибоэлектрического наногенератора25. Цзян и др. сообщили о внедрении нанолиста MXene для изготовления полностью электропряденного TENG26. Выходной мощности обоих заявленных устройств недостаточно для освещения более 50 светодиодов для практического применения. Кроме того, электропрядение ТЭНГ на основе нановолокон ПВДФ было изготовлено в качестве носимого трибоэлектрического наногенератора. Выходной мощности было достаточно для освещения 250 светодиодов27. Однако более практического применения не хватает.