P3HT/PVDF elettrofilato

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 14842 (2022) Citare questo articolo

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Questo articolo descrive un semplice approccio di elettrofilatura per la fabbricazione di nanogeneratori triboelettrici (TENG) in poli(3-esiltiofene) (P3HT)/poli(vinilidene fluoruro-co-esafluoropropilene) (PVDF-HFP) in nanofibra semiconduttiva. Le misurazioni delle proprietà elettriche dei TENG in nanofibra semiconduttiva P3HT/PVDF-HFP hanno rivelato che la tensione di uscita potrebbe essere aumentata fino a 78 V con una corrente di uscita di 7 μA. La potenza di uscita del dispositivo ha raggiunto 0,55 mW, sufficiente per alimentare istantaneamente 500 diodi emettitori di luce rossa e un orologio digitale. Il TENG in nanofibra semiconduttiva P3HT/PVDF-HFP potrebbe essere utilizzato non solo come dispositivo autoalimentato ma anche come sensore per monitorare l'azione umana. Inoltre, ha mostrato una buona durata se sottoposto a 20.000 cicli di un test di forza esterna.

Il mercato in rapida espansione dell'elettronica personale, in particolare dei dispositivi elettronici indossabili e dei dispositivi per il monitoraggio della salute e dell'ambiente, sta aumentando la domanda di fonti di alimentazione portatili1. Alla luce di qualsiasi crisi energetica potenzialmente emergente, sarà necessario cercare modi per ridurre al minimo i rifiuti elettronici, in particolare quelli derivanti dalla produzione e dallo smaltimento delle batterie. Si stanno studiando tecnologie energetiche alternative, tra cui celle solari2, termoelettricità3,4 e nanogeneratori5, per fornire elettricità per i dispositivi elettronici personali portatili6. Il nanogeneratore sviluppato dal gruppo Wang7 è un mezzo promettente e interessante per fornire energia ai dispositivi portatili e, allo stesso tempo, ridurre al minimo le preoccupazioni relative allo smaltimento delle batterie e di altre fonti di energia esterne. In generale, i nanogeneratori triboelettrici (TENG) convertono l’energia meccanica di scarto proveniente da varie fonti in elettricità; hanno attirato molta attenzione per la loro elevata efficienza di conversione energetica e la loro fabbricazione poco costosa. La maggior parte dei materiali utilizzati nei TENG derivano da materia organica, pertanto la loro produzione può essere facilmente estesa su larga scala, con potenziali applicazioni industriali.

Il principio di funzionamento di un TENG prevede gli effetti combinati di triboelettrificazione e induzione elettrostatica durante il contatto di (o l'attrito tra) due materiali dielettrici aventi polarità triboelettriche opposte. Poiché la triboelettrificazione è un effetto di carica superficiale, le strutture e le composizioni delle superfici dei materiali triboelettrici hanno effetti critici sulla produzione di TENG. La modifica superficiale (ad esempio, il controllo della morfologia superficiale8,9,10 o l'introduzione di ioni carichi11,12,13) ​​può aumentare la densità di carica superficiale ampliando l'area superficiale o la differenza nella polarità triboelettrica degli strati. In alternativa, l’aumento della costante dielettrica può aumentare la capacità dello strato dielettrico, aumentando così la densità di carica superficiale. Pertanto, la costante dielettrica di un materiale triboelettrico è un altro fattore importante che influenza le prestazioni triboelettriche14.

Sebbene praticamente tutti i materiali presentino triboelettricità, lo sviluppo di nuovi materiali triboelettrici con micro e nanostrutture speciali può migliorare la produzione di TENG15,16. Diversi tipi di materiali, inclusi polimeri isolanti [ad es. politetrafluoroetilene (PTFE), nylon, polidimetilsilossano (PDMS)]17,18, semiconduttori inorganici (ad es. TiO2, ZnO)19,20, polimeri conduttivi [ad es. polipirrolo (PPy), polianilina (PANI)]13,21,22 e metalli (ad esempio Au, Al)23,24, sono stati utilizzati come materiali triboelettrici nei TENG. Sebbene sia stato ottenuto un TENG che mostra prestazioni migliorate utilizzando nanomateriali semiconduttori inorganici TiO2 chimicamente modificati20, per la fabbricazione di nanomateriali TiO2 sono necessarie temperature elevate. Wang et al. hanno preparato un TENG incorporando il polimero conduttivo PPy21, ma il loro approccio richiedeva la polimerizzazione elettrochimica con ossido di alluminio anodico (AAO) come modello, rendendo il processo di fabbricazione lungo e costoso. La tecnica dell'elettrofilatura è stata ampiamente utilizzata per costruire nanogeneratori con struttura in fibra. È stata segnalata la fabbricazione di nanofibre di gel ionico elettrofilato per nanogeneratori triboelettrici flessibili25. Jiang et al., hanno riportato l'introduzione del nanofoglio MXene per fabbricare un TENG26 interamente elettrofilato. La potenza di uscita di entrambi i dispositivi segnalati non è sufficiente per accendere più di 50 diodi emettitori di luce per l'applicazione pratica. Inoltre, un TENG elettrofilato a base di nanofibra PVDF è stato fabbricato come nanogeneratore triboelettrico indossabile. La potenza in uscita era sufficiente per accendere 250 LED27. Tuttavia, manca un’applicazione più pratica.