Forskere forbedrer effekten af ​​triboelektriske nanogeneratorer med kulstofpartikler

De fleste af os har mærket chokket fra statisk elektricitet ved at røre ved en metalgenstand efter at have taget en sweater på eller gået hen over et tæppe. Dette sker som et resultat af ladningsopbygning, når to forskellige materialer (såsom vores krop og stoffet) kommer i kontakt med hinanden.

I 2012 brugte forskere fra USA og Kina dette fænomen, kendt som "triboelektrisk effekt", til at bygge en triboelektrisk nanogenerator (TENG), der omdanner ubrugt mekanisk energi til nyttig elektrisk energi. Deres enhed bestod af to triboelektriske polymerfilm med metalliske elektroder, som, når de blev bragt sammen og adskilt, resulterede i ladningsadskillelse og udvikling af en elektrisk spænding, der er tilstrækkelig til at drive små elektroniske enheder.

Anset som potentielle bæredygtige energihøstere, er der blevet gjort en indsats for at forbedre TENGs effektudbytte ved at injicere ladninger til overfladen af ​​triboelektriske film. Ladningsrekombination i elektroden og ladningsafstødning på overfladen af ​​materialet forhindrer dem dog i at opnå høje overfladeladningstætheder.

På denne baggrund udviklede et team af forskere ledet af professor Chanho Pak fra Gwangju Institut for Videnskab og Teknologi (GIST) i Sydkorea i en nylig undersøgelse et ladningsindeslutningslag, der styrer overførslen af ​​injicerede ladninger mellem den triboelektriske film og elektroden for at forbedre ladningstætheden på overfladen af ​​den triboelektriske film. Denne artikel blev offentliggjort i Small Methods .

"I designet af højtydende TENG'er er det afgørende at transportere ladningen på overfladen til en dyb position, mens ladningens rekombination reduceres," siger prof. Pak. Til at lave lagene brugte forskerne elektrospundne mesoporøse kulstofkugler sammen med lag af polyvinylidenfluorid (PVDF) og nylon. Kulstofkuglerne, som fanger ladninger på overfladen, blev arrangeret i stigende rækkefølge efter deres specifikke overfladearealer, hvilket gav et gradient ladningsindeslutningslag. Som et resultat af dette gradientarrangement kunne de indsprøjtede ladninger drive mod elektroden, men blev indespærret lige før de nåede den. "Lagene transporterer såvel som begrænser ladningerne," forklarer prof. Pak.

Ved at transportere ladningerne væk fra overfladen forhindrer lagene, at injicerede ladninger akkumuleres og frastøder hinanden på overfladen af ​​det triboelektriske materiale, hvilket gør det muligt at holde mere ladning. Derudover forhindrer det at begrænse ladningerne tæt på elektroderne ladningstab på grund af rekombination, hvilket resulterer i en triboelektrisk overflade med en højere ladningstæthed.

Med tilføjelsen af ​​ladningsbegrænsende lag forbedrede forskerne udgangsspændingen og strømmen af ​​TENG med henholdsvis 40 og syv gange. Ved at kombinere en cylindrisk TENG og en elektromagnetisk generator opnåede de desuden en dramatisk 1300-fold forbedring af udgangsstrømmen.

"Med disse lovende resultater kan TENG'er en dag blive kraftfulde nok til at tjene som bæredygtige energihøstere såvel som som fremtidens bærbare enheder," siger prof. Pak. + Udforsk yderligere

Smarte tekstiler:Højtydende, åndbart stof til at drive lille elektronik