Forbedrede triboelektriske nanogeneratorer af polymere svovlblandinger med toksinfri syntese

En triboelektrisk nanogenerator (TENG) er en energi-høstende enhed, der omdanner mekanisk energi til elektricitet gennem kontaktadskillelse eller relative glidende bevægelser af to modsatte tribo-polære materialer. Forskere fra Inha University rapporterede tidligere om det første eksempel på svovlrygradspolymer-baseret TENG. Overfladen af ​​svovlcopolymerfilmen blev direkte fluoreret under anvendelse af giftig fluorgas for at forbedre TENG-ydeevnen.

Svovl og fluor har højere elektronaffinitet (EA) på henholdsvis –200 kJ/mol og –322 kJ/mol sammenlignet med EA for kulstof (–122 kJ/mol). Den fluorerede svovlcopolymerfilm kan opnå en seks- og tredobling af spænding og strøm i sammenligning med polytetrafluorethylen (PTFE), det nuværende konventionelle negative materiale. Desuden er elementært svovl et biprodukt af råolieraffinering; derfor er svovl med høj renhed kommercielt tilgængeligt til lave omkostninger. For at sikre driftssikkerheden for denne teknik i praktiske industrielle anvendelser er det imidlertid nødvendigt at designe affaldsbehandlingssystemer samt metoder til genvinding af den giftige fluorgas.

For at overvinde disse begrænsninger har forskere for nylig rapporteret en let og giftig-fluorgas-fri rute til syntese af ekstremt negative triboelektriske polymerblandinger omfattende en fluorrig polymer (poly(pentafluorstyren), PPFS) og en svovlrygrad -baseret polymer. I denne metode blev PPFS-molekyler fasesepareret på luftgrænsefladen via varmpresning, hvilket resulterede i højeffektiv triboelektrisk energihøst. På trods af den lave belastningsværdi (7,5 vægt%) af PPFS oversteg dens overfladedækning 90% på grund af faseadskillelsen i blandingsfilmen induceret af høj differentiering af overfladeenergier mellem svovlcopolymeren og PPFS.

Lokaliseringen af ​​væsentlige mængder fluor på filmoverfladerne gav polymerblandingerne ekstremt negative triboelektriske egenskaber. De triboelektriske ydeevner af polymerblandingsfilmene i undersøgelsen var signifikant overlegne i forhold til de konventionelle carbon-rygrad-baserede polymerer. Den polymerblandingsbaserede TENG præsenterede en langsigtet stabil ydeevne på ~ 26 timer og forbedrede spændings- og strømudgange, der var henholdsvis 8 gange og 9 gange højere end for en PTFE-baseret TENG. Endelig demonstrerede forskerne evnen af ​​en 4-tommer filmbaseret TENG til at forsyne 400 serieforbundne blå LED'er på 3,3 V ved hjælp af polymerblandingsfilmen med en triboelektrisk åben kredsløbsspænding på ~1360 V.

Gennem dette arbejde vil faseadskillelsesstrategien for fluorrige polymerer fra svovlpolymerer give indsigt til forskning i både den akademiske verden og industrien for at opnå skalerbar, lavpris, miljøvenlig og højtydende triboelektrisk energihøst.

Forskningen blev offentliggjort i Nano Energy . + Udforsk yderligere

Nye højtydende triboelektriske materialer fremstillet af biprodukter fra petroleumsraffineringsprocessen