新型二维材料MXene在摩擦/摩擦伏特纳米发电机的应用研究

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随着人工智能、大数据和物联网的快速发展,人类对小型化和分布式电源的需求急剧增加。与传统的电磁发电机(EMGs)和太阳能电池相比,摩擦纳米发电机(TENGs)在转换随机的低频机械能和其他形式的高熵能源方面表现出更高的效率,在分布式能源的收集方面具有很大的优势。摩擦伏特纳米发电机(TVNGs)是一种新兴的高熵能量收集装置,具有低匹配电阻、高电流密度和连续输出等优点,是传统的压电式和摩擦电式纳米发电机所不具有的优势,在能量收集、自驱动传感领域上有着巨大的发展潜力。二维(2D)碳化物和氮化物MXene自第一次被报道至今,发展出了数十种不同的化学物质,由于其具有丰富的表面官能团进而表现出了十分丰富的化学性质,如可调谐的电子、光学、机械和电化学特性等。因此它在光电子学、电磁干扰屏蔽和无线通讯以及能量存储、催化、传感和医学等领域具有广泛的应用。本文展示了一种MXene/聚乙烯醇(PVA)水凝胶为导电电极制备的TENG(MH-TENG),它具有制造简单、输出性能高和用途广泛等特点。MXene纳米片的掺杂首先促进了PVA水凝胶的交联,提高了复合水凝胶的拉伸性。其次可以在水凝胶内部形成微通道,通过改善离子的传输来增强水凝胶的导电性,还通过流动振动势(SVP)机制产生额外的摩擦电输出。MH-TENG具有良好的输出性能,在单电极模式下,测得的MH-TENG开路电压为230 V;MH-TENG可以拉伸至原始长度的200%,并且输出随着拉伸长度的增大而增大;另外MH-TENG具有出色的可拉伸性并且对机械刺激有超高灵敏度,在可穿戴运动监测、高精度笔画识别和低频机械能采集等方面的具有很好的应用潜力。此外,本文将MXene层作为摩擦层和一个半导体硅片组装成摩擦伏特纳米发电机(MS-TVNG)。MS-TVNG具有输出稳定和高性能的特点,MXene的层状结构使MS-TVNG具有出色的耐磨性和稳定的输出特性。实验表明,在4.56 N的法向压力和2m·s-1的滑动速度下,MS-TVNG的输出峰值电流可以达到22μA,由于MXene独特的金属特性,因此其性能优于基于传统金属的TVNG;另外,MS-TVNG的输出性能与掺杂类型和浓度,法向压力和两个摩擦表面之间的相对滑动速度相关。由于MS-TVNG的电流与滑动速度成正比,因此提出了基于MS-TVNG的速度、位移、拉力、摆动角度和振动传感器。
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