Electrospun P3HT/PVDF

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 14842 (2022) Citar este artigo

1805 acessos

6 Citações

Detalhes das métricas

Este artigo descreve uma abordagem simples de eletrofiação para a fabricação de nanogeradores triboelétricos semicondutores de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT)/poli(fluoreto de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP). Medições das propriedades elétricas dos TENGs de nanofibras semicondutoras P3HT/PVDF-HFP revelaram que a tensão de saída pode ser aumentada em até 78 V com uma corrente de saída de 7 μA. A potência de saída do dispositivo atingiu 0,55 mW, suficiente para alimentar instantaneamente 500 diodos emissores de luz vermelha, bem como um relógio digital. A nanofibra semicondutora P3HT/PVDF-HFP TENG pode ser usada não apenas como um dispositivo autoalimentado, mas também como um sensor para monitorar a ação humana. Além disso, apresentou boa durabilidade quando submetido a 20.000 ciclos de um teste de força externa.

O mercado de eletrônicos pessoais em rápida expansão – especialmente eletrônicos vestíveis e dispositivos para monitoramento de saúde e meio ambiente – está aumentando a demanda por fontes de energia portáteis1. Perante qualquer crise energética potencialmente emergente, será necessário procurar formas de minimizar o desperdício eletrónico, em particular o proveniente da produção e eliminação de baterias. Tecnologias alternativas de energia, incluindo células solares2, termoeletricidade3,4 e nanogeradores5, estão sendo investigadas para fornecer eletricidade para eletrônicos pessoais portáteis6. O nanogerador desenvolvido pelo grupo Wang7 é um meio promissor e atraente de fornecer energia para dispositivos portáteis e, ao mesmo tempo, minimizar as preocupações com o descarte de baterias e outras fontes externas de energia. Em geral, nanogeradores triboelétricos (TENGs) convertem energia mecânica residual de várias fontes em eletricidade; eles têm atraído muita atenção por sua alta eficiência de conversão de energia e fabricação barata. A maior parte dos materiais utilizados nas TENGs provém de matéria orgânica, de modo que sua produção pode ser prontamente expandida em larga escala, com perspectivas de aplicações industriais.

O princípio de funcionamento de um TENG envolve os efeitos combinados de triboeletrificação e indução eletrostática durante o contato de (ou fricção entre) dois materiais dielétricos com polaridades triboelétricas opostas. Como a triboeletrificação é um efeito de carregamento de superfície, as estruturas e composições das superfícies dos materiais triboelétricos têm efeitos críticos na saída de TENGs. A modificação da superfície (por exemplo, controlando a morfologia da superfície8,9,10 ou introduzindo íons carregados11,12,13) ​​pode aumentar a densidade de carga da superfície aumentando a área da superfície ou a diferença na polaridade triboelétrica das camadas. Alternativamente, aumentar a constante dielétrica pode aumentar a capacitância da camada dielétrica, aumentando assim a densidade de carga da superfície. Assim, a constante dielétrica de um material triboelétrico é outro fator importante que afeta o desempenho triboelétrico14.

Embora praticamente todos os materiais exibam triboeletricidade, o desenvolvimento de novos materiais triboelétricos com micro e nanoestruturas especiais pode melhorar a produção de TENGs15,16. Vários tipos de materiais, incluindo polímeros isolantes [por exemplo, politetrafluoretileno (PTFE), nylon, polidimetilsiloxano (PDMS)]17,18, semicondutores inorgânicos (por exemplo, TiO2, ZnO)19,20, polímeros condutores [por exemplo, polipirrol (PPy), polianilina (PANI)]13,21,22 e metais (por exemplo, Au, Al)23,24, têm sido usados ​​como materiais triboelétricos em TENGs. Embora um TENG exibindo desempenho aprimorado tenha sido obtido ao usar nanomateriais semicondutores inorgânicos de TiO2 quimicamente modificados20, altas temperaturas são necessárias para a fabricação de nanomateriais de TiO2. Wang et ai. prepararam um TENG incorporando o polímero condutor PPy21, mas sua abordagem exigia polimerização eletroquímica com óxido de alumínio anódico (AAO) como modelo, tornando o processo de fabricação demorado e caro. A técnica de eletrofiação tem sido amplamente utilizada para construir nanogeradores estruturados em fibras. A fabricação de nanofibras de gel de íon eletrospun foi relatada para nanogerador triboelétrico flexível25. Jiang et al. relataram a introdução da nanofolha MXene para fabricar um TENG26 totalmente eletrospun. A potência de saída de ambos os dispositivos relatados não é suficiente para acender mais de 50 diodos emissores de luz para aplicação prática. Além disso, um eletrospun de TENG baseado em nanofibra PVDF foi fabricado como um nanogerador triboelétrico vestível. A potência de saída foi suficiente para acender 250 LEDs27. No entanto, falta uma aplicação mais prática.