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Los nanogeneradores triboeléctricos multicapa (TENG) se utilizan ampliamente para mejorar los parámetros de rendimiento de los dispositivos electrónicos. Sin embargo, los TENG multicapa con una distribución de carga volumétrica alta deben ser robustos y flexibles para una producción en masa efectiva. En consecuencia, la selección adecuada del material es crucial para la industrialización de los TENG multicapa.
Estudio: nanogenerador triboeléctrico portátil totalmente impreso que utiliza polímeros de acumulación de electrones altamente cargados basados en nanocopos MXene. Crédito: El fotógrafo 1985/Shutterstock.com
Un estudio reciente publicado en la revista Advanced Electronic Materials se centra en este tema al presentar un TENG totalmente impreso, duradero y portátil con polímeros de acumulación de electrones (EAP) ultracargados basados en nanoflakes MXene. El TENG con EAP preparados de esta manera puede operar de manera efectiva varios medidores de pH y electrónicos compactos con un sensor de pH.
TENG en capas: descripción general e importancia
Los nanogeneradores triboeléctricos portátiles (TENG) están ganando popularidad como extractores de energía electromecánica para dispositivos electrónicos de próxima generación. Varios institutos de investigación están trabajando activamente para establecer un proceso de producción eficiente para fabricar TENG livianos y de bajo costo con alta capacidad de energía utilizando varios recubrimientos de nanocompuestos y modificaciones de materiales.
Según investigaciones anteriores sobre la relación entre la potencia de salida de TENG y las cargas electrónicas transferibles, la infusión de carga sintética, p. B. una liberación de corona, la concentración de portadores de carga en la superficie y la potencia de salida de los TENG.
Sin embargo, es bastante difícil satisfacer muchas propiedades tales como B. Fuerte atracción de electrones, alta constante dieléctrica y gran área superficial con una sola sustancia o capa. Como resultado, recientemente se ha propuesto un TENG multicapa para resolver este problema crítico.
![](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_39824_16664532116707451.jpg)
Diseño de TENG wearable sostenible basado en EAPs. a) Representación esquemática del ensamblaje capa por capa (izquierda) de TENG basado en EAP con mecanismo de acumulación de carga (derecha). b) Proceso de fabricación de TENG basado en EAP con fondo y tapa. c) Imagen SEM de sección transversal de TENG con un espesor total de ≈70 µm. d) Imágenes transversales de PTFE-THV (arriba a la izquierda), SWCNT:COOH-THV (arriba a la derecha), MXene-THV (abajo a la izquierda) y Ag-SEBS (abajo a la derecha). e) Foto de TENG basados en EAP doblados. © Kim, KN et al. (2022)
Desafíos de elaboración relacionados con TENG en capas
Los materiales de transporte de electrones tradicionales como los nanotubos de carbono (CNT) y los compuestos de captura como el óxido de grafeno son insuficientes para la distribución de carga volumétrica alta de los TENG. Además, varios estudios sobre TENG multicapa han encontrado que su alta rigidez los hace inadecuados para dispositivos electrónicos portátiles.
Además, los TENG deben ser resistentes a la humedad y la deformación para entregar energía de manera constante y operar de manera efectiva los dispositivos electrónicos portátiles comerciales.
Aunque investigaciones anteriores han utilizado modificaciones de interfaz y encapsulación para mitigar estos desafíos, estas técnicas aún son complejas y la producción en masa de estos sistemas es problemática.
Si se exploraran diferentes soluciones para limitar la exposición al aire, como B. estructuras multicapa y agentes atrapadores de electrones aislados por óxido natural, un TENG altamente sostenible y de bajo costo que puede usarse en condiciones climáticas extremas podría fabricarse fácilmente.
MXene: El futuro de la fabricación de TENG multicapa
MXene es un material inorgánico bidimensional compuesto por capas delgadas de carburos, nitruros o carbonitruros de metales de transición. MXene, informado por primera vez en 2011, combina la conductividad metálica de los carburos de metales de transición con la naturaleza hidrófila de las superficies terminadas en hidroxilo u oxígeno.
MXene ha atraído recientemente un gran interés en las aplicaciones TENG debido a su alta capacidad de extracción de electrones. MXene se ha utilizado en varios estudios como sustancia tribonegativa para mejorar los electrones transferidos.
Para crear un TENG eficaz basado en la capa de captura de MXene, es necesario aumentar la concentración de graneles portadores de capas tribonegativas explotando las capacidades de captura de electrones de MXene y diseñando la capa de transferencia de electrones para conducir electrones de manera eficiente hacia el volumen interno. El tratamiento de superficie y la funcionalización también son necesarios para maximizar el transporte de electrones a través de un campo eléctrico confinado en la interfaz MXene.
Aspectos destacados y desarrollos clave del estudio actual
En este estudio, los investigadores desarrollaron un TENG flexible y robusto compuesto completamente de polímeros acumulados de electrones (EAP) imprimibles con capacidades de almacenamiento y distribución de carga volumétrica más altas.
Los EAP se fabricaron a partir de MXenes 2D con ricos sitios de captura de electrones, nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) con excelente conductividad eléctrica y politetrafluoroetileno (PTFE) con importantes propiedades de aceptación y transferencia de electrones. Las capas de TENG se fabrican utilizando una tecnología de serigrafía de bajo costo que utiliza tintas especiales estirables.
Para mostrar la aplicación en el mundo real de los TENG basados en EAP, se construyó un dispositivo sensor de pH para medir el rango de pH del sudor humano. Este dispositivo contiene un sensor de pH serigrafiado muy sensible y una pantalla. El sensor de pH recibe una señal de voltaje eléctrico de los capacitores cargados por el TENG y la entrega a un microprocesador de una sola placa conectado a la pantalla de siete segmentos.
El microprocesador toma la entrada del sensor de pH, la convierte en señales digitales y activa los segmentos de la pantalla mediante la codificación de comandos. Si se coloca sudor sintético pH tres en el sensor de pH, la pantalla mostrará el número «3» mientras que pH 7 mostrará el número «7».
Es importante destacar que estos resultados sugieren que este enfoque único para extractores de energía mejorados y detectores portátiles, como el sensor de pH desarrollado en esta investigación, puede conducir al desarrollo de aplicaciones de redes de sensores inteligentes.
Relación
Kim, K Net al. (2022). Nanogenerador triboeléctrico portátil totalmente impreso con polímeros de acumulación de electrones altamente cargados basados en nanoflakes MXene. Materiales electrónicos avanzados. Disponible en: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aelm.202200819
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