Elektrogesponnenes P3HT/PVDF

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 14842 (2022) Diesen Artikel zitieren

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In diesem Artikel wird ein einfacher Elektrospinning-Ansatz zur Herstellung von triboelektrischen Nanogeneratoren (TENGs) aus halbleitenden Nanofasermatten aus Poly(3-hexylthiophen) (P3HT)/Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP) beschrieben. Messungen der elektrischen Eigenschaften der halbleitenden P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser-TENGs ergaben, dass die Ausgangsspannung bei einem Ausgangsstrom von 7 μA auf bis zu 78 V erhöht werden konnte. Die Ausgangsleistung des Geräts erreichte 0,55 mW und reichte aus, um 500 rote Leuchtdioden sowie eine Digitaluhr sofort mit Strom zu versorgen. Die halbleitende Nanofaser TENG aus P3HT/PVDF-HFP könnte nicht nur als autarkes Gerät, sondern auch als Sensor zur Überwachung menschlicher Handlungen verwendet werden. Darüber hinaus zeigte es eine gute Haltbarkeit, als es 20.000 Zyklen eines externen Krafttests unterzogen wurde.

Der schnell wachsende Markt für persönliche Elektronik – insbesondere tragbare Elektronikgeräte und Geräte zur Gesundheits- und Umweltüberwachung – erhöht die Nachfrage nach tragbaren Stromquellen1. Angesichts einer sich möglicherweise abzeichnenden Energiekrise wird es notwendig sein, nach Möglichkeiten zur Minimierung von Elektroschrott zu suchen, insbesondere jenen, der bei der Herstellung und Entsorgung von Batterien anfällt. Alternative Energietechnologien, darunter Solarzellen2, Thermoelektrizität3,4 und Nanogeneratoren5, werden untersucht, um den Strom für tragbare persönliche Elektronikgeräte bereitzustellen6. Der von der Wang-Gruppe7 entwickelte Nanogenerator ist eine vielversprechende und attraktive Möglichkeit, tragbare Geräte mit Energie zu versorgen und gleichzeitig Bedenken hinsichtlich der Entsorgung von Batterien und anderen externen Stromquellen zu minimieren. Im Allgemeinen wandeln triboelektrische Nanogeneratoren (TENGs) überschüssige mechanische Energie aus verschiedenen Quellen in Elektrizität um; Sie haben wegen ihrer hohen Energieumwandlungseffizienz und kostengünstigen Herstellung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die meisten Materialien, die in TENGs verwendet wurden, stammen aus organischem Material, sodass ihre Produktion problemlos auf großen Maßstab ausgeweitet werden kann und potenzielle industrielle Anwendungen bietet.

Das Funktionsprinzip eines TENG umfasst die kombinierten Effekte von Triboelektrifizierung und elektrostatischer Induktion während des Kontakts (oder der Reibung zwischen) zweier dielektrischer Materialien mit entgegengesetzten triboelektrischen Polaritäten. Da es sich bei der Triboelektrifizierung um einen Oberflächenaufladungseffekt handelt, haben die Strukturen und Zusammensetzungen der Oberflächen triboelektrischer Materialien entscheidende Auswirkungen auf die Leistung von TENGs. Oberflächenmodifikationen (z. B. Steuerung der Oberflächenmorphologie8,9,10 oder Einführung geladener Ionen11,12,13) können die Oberflächenladungsdichte durch Vergrößerung der Oberfläche oder den Unterschied in der triboelektrischen Polarität der Schichten erhöhen. Alternativ kann eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante die Kapazität der dielektrischen Schicht erhöhen und dadurch die Oberflächenladungsdichte erhöhen. Daher ist die Dielektrizitätskonstante eines triboelektrischen Materials ein weiterer wichtiger Faktor, der die triboelektrische Leistung beeinflusst14.

Obwohl praktisch alle Materialien Triboelektrizität aufweisen, kann die Entwicklung neuer triboelektrischer Materialien mit speziellen Mikro- und Nanostrukturen die Leistung von TENGs verbessern15,16. Verschiedene Arten von Materialien, darunter isolierende Polymere [z. B. Polytetrafluorethylen (PTFE), Nylon, Polydimethylsiloxan (PDMS)]17,18, anorganische Halbleiter (z. B. TiO2, ZnO)19,20, leitfähige Polymere [z. B. Polypyrrol (PPy), Polyanilin (PANI)]13,21,22 und Metalle (z. B. Au, Al)23,24 wurden als triboelektrische Materialien in TENGs verwendet. Obwohl bei Verwendung chemisch modifizierter anorganischer TiO2-Halbleiter-Nanomaterialien20 ein TENG mit verbesserter Leistung erhalten wurde, sind für die Herstellung von TiO2-Nanomaterialien hohe Temperaturen erforderlich. Wang et al. stellten ein TENG mit dem leitenden Polymer PPy21 her, ihr Ansatz erforderte jedoch eine elektrochemische Polymerisation mit anodischem Aluminiumoxid (AAO) als Templat, was den Herstellungsprozess zeitaufwändig und kostspielig machte. Die Elektrospinning-Technik wurde weitgehend zur Konstruktion von Nanogeneratoren mit Faserstruktur genutzt. Über die Herstellung elektrogesponnener Ionengel-Nanofasern wurde für flexible triboelektrische Nanogeneratoren berichtet25. Jiang et al. berichteten über die Einführung von MXene-Nanoblättern zur Herstellung eines vollständig elektrogesponnenen TENG26. Die Ausgangsleistung beider gemeldeter Geräte reicht für den praktischen Einsatz nicht aus, um mehr als 50 Leuchtdioden zum Leuchten zu bringen. Darüber hinaus wurde ein elektrogesponnenes TENG auf PVDF-Nanofaserbasis als tragbarer triboelektrischer Nanogenerator hergestellt. Die Ausgangsleistung reichte aus, um 250 LEDs27 zum Leuchten zu bringen. Es mangelt jedoch an einer weiteren praktischen Anwendung.

Wenn sich der Volumenanteil leitfähiger Füllstoffe der Perkolationsschwelle nähert, können Beimischungen leitfähiger Materialien die dielektrische Permittivität von Polymeren drastisch erhöhen und gleichzeitig aufgrund der relativ geringen Füllstoffbeladung die mechanische Flexibilität des Polymers bewahren28,29. Das für diese Studie ausgewählte leitfähige Material war das organische Halbleiterpolymer Poly(3-hexylthiophen) (P3HT), das wegen seiner potenziellen Anwendungen in Solarzellen30,31 und Transistoren32,33 aufgrund seiner hohen Umwelt- und Wärmeeigenschaften viel Aufmerksamkeit erregt hat Stabilität, hohe elektrische Leitfähigkeit und gute Lösungsverarbeitbarkeit34. Hier wurde Elektrospinnen verwendet, um P3HT mit Poly(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP) zu mischen, um Nanofasern herzustellen. Die elektrogesponnenen Nanofasermatten wurden dann zur Herstellung des TENG verwendet. Nach unserem besten Wissen ist dieser Artikel der erste, der über ein nanofaserbasiertes TENG berichtet, das aus einer einfachen Mischung des organischen halbleitenden Polymers P3HT hergestellt wird und zur Verbesserung der elektrischen Ausgangseigenschaften des Geräts verwendet wird. Die elektrischen Eigenschaften der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern waren denen des reinen PVDF-HFP überlegen, was auf eine Erhöhung der Dielektrizitätskonstante bei Zugabe des halbleitenden P3HT zurückzuführen ist. Die maximale Ausgangsspannung des P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser-TENG-Geräts erreichte bis zu 78 V mit einem entsprechenden Ausgangsstrom von 7 μA unter einer zyklischen Druckkraft von 30 N bei einer Frequenz von 5 Hz. Die maximal erreichbare Ausgangsleistung betrug 0,55 mW und reichte aus, um 500 rote Leuchtdioden (LEDs) sofort mit Strom zu versorgen. Darüber hinaus könnte das Gerät unter verschiedenen externen Widerständen effektiv Strom erzeugen. Als Beweis für die praktische Anwendbarkeit wurden die halbleitenden Nanofasermatten zur Stromversorgung einer Digitaluhr verwendet, was die Möglichkeit der Entwicklung einer breiten Palette tragbarer Elektronik und autonomer menschlicher interaktiver Systeme nahelegt.

Regioreguläres p-Typ-P3HT [Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl)] wurde von Sigma-Aldrich erworben und wie erhalten verwendet. PVDF-HFP (durchschnittliches Molekulargewicht: 400.000) und Tetrahydrofuran (THF) wurden ebenfalls von Sigma-Aldrich bezogen.

Elektrospinnen wurde zur Herstellung von PVDF-HFP-Nanofasern sowie deren Verbundwerkstoffen mit P3HT eingesetzt. Für das Elektrospinnen zur Herstellung der Nanofasern wurde eine Konzentration von 17 Gew.-% PVDF-HFP in der THF-Lösung verwendet. Die Verbundlösung aus P3HT/PVDF-HFP in der THF-Lösung wurde durch kontinuierliches Rühren einer Mischung aus 3 Gew.-% P3HT mit PVDF-HFP/THF hergestellt. Die Verbundlösung aus P3HT/PVDF-HFP wurde unter Verwendung einer stumpfen 18G-Nadel bei einer Spannung von 15 kV, einer Pumprate von 0,3 ml/h und einem Nadel-Kollektor-Abstand von 130 mm elektrogesponnen, um die Nanofasern zu bilden. Alle Nanofasern wurden auf Aluminiumfolie gesammelt, die als Bodenoberfläche diente.

Rasterelektronenmikroskopie (REM, Hitachi, Modell S-5200) wurde bei 8 kV durchgeführt, um die Morphologien der Nanofasern und der abgeschiedenen Ag-Schicht zu bestimmen. Die UV-Vis-Absorptionsspektroskopie wurde mit einem Jasco V-650-Spektrometer durchgeführt. Raman-Spektren wurden mit einem Horiba HR 550-Spektrometer mit einer Anregungswellenlänge von 532 nm aufgenommen. Die Dielektrizitätskonstante wurde mit einem M6632-Gerät gemessen. Die übertragene Ladung wurde mit einem Elektrometer des Keithley 6517B-Systems gemessen. Das Oberflächenpotential der hergestellten Nanofasermatten wurde mit einem elektrostatischen Voltmeter (Dong Il Technology, Modell ARM-S050) gemessen. Die vom triboelektrischen Gerät ausgegebene Spannung und Stromstärke wurden mit einem Oszilloskop (Tektronix, Modell DPO 3040) gemessen. Der dynamische mechanische Druck wurde durch einen Magnetschüttler (Sinocera, Modell JZK-20) unter verschiedenen Kräften (1–40 N) und Frequenzen (1–10 Hz) ausgeübt. Die Oberflächenladung wurde mit einem Systemelektrometer Keithley 6517B (Impedanz: > 200 TΩ) gemessen.

Zur Herstellung halbleitender Nanofasermatten mit Dicken im Bereich von 10 bis 200 μm wurde eine herkömmliche Elektrospinntechnik eingesetzt (Abb. 1a). Die Materialeigenschaften des neuen Verbundwerkstoffs wurden untersucht. Abbildung 1b zeigt ein REM-Bild einer elektrogesponnenen P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser. Glatte und perlenfreie feste Nanofasern wurden in einem Netz mit zufällig ausgerichteten Fasern angeordnet. Der durchschnittliche Durchmesser der Nanofasern betrug etwa 500 nm. Um den Einfluss des leitfähigen P3HT-Polymers auf die elektronischen Eigenschaften der elektrogesponnenen Nanofasermatten zu untersuchen, wurden UV-Vis-Spektren im Wellenlängenbereich 190–900 nm aufgenommen (Abb. 1c). Der Absorptionspeak bei 290 nm repräsentierte halbkristallines PVDF-HFP35. Das Spektrum der elektrogesponnenen P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern zeigte einen weiteren Absorptionspeak nahe 520 nm, der π-π*-Intrabandübergängen in ungeordneten einzelnen Polymerketten entspricht36,37. Das Raman-Spektrum des unberührten PVDF-HFP-Faserfilms (Abb. 1d) zeigte Peaks, die seiner α-Phase bei 712 und 887 cm–1 und seiner β-Phase bei 807 cm–138 entsprachen. Im Gegensatz dazu wurde das Raman-Spektrum des P3HT/PVDF-HFP-Nanofaserfilms von Signalen für die symmetrische C=C-Streckung bei 1450 cm–1 und die C–C-Intraring-Streckung bei 1375 cm–1 dominiert, was mit der Delokalisierung von π-Elektronen übereinstimmt und ein gewisses Maß an struktureller Ordnung in Polythiophenen39. Die signifikanten Änderungen sowohl im Absorptions- als auch im Raman-Spektrum beim Einbau von P3HT deuteten auf eine entsprechende Änderung der Dielektrizitätskonstante hin.

(a) Schematische Darstellung des Elektrospinning-Aufbaus zur Herstellung der Nanofasern. (b) SEM-Bilder und (c) UV-Vis- und (d) Raman-Spektren von elektrogesponnenen Nanofasern, bestehend aus reinem PVDF-HFP und 3 Gew.-% P3HT/PVDF-HFP. (e) Vereinfachte schematische Darstellung des Stromerzeugungsprozesses von halbleitenden TENGs auf Nanofaserbasis.

Abbildung 1e gibt einen Überblick über das Funktionsprinzip eines TENG im vertikalen Kontakt-Trenn-Modus, der eine Kombination aus Triboelektrifizierung und elektrostatischer Induktion beinhaltet. Vor dem Kontakt besteht im Ausgangszustand kein Elektronenfluss im externen Stromkreis. Sobald eine äußere Kraft ausgeübt wird, um die elektrogesponnenen halbleitenden P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern und Kapton in Kontakt zu bringen, kommt es aufgrund eines triboelektrischen Effekts zu einem Oberflächenladungstransfer an der Grenzfläche. Die Richtung des Ladungstransfers wird durch die relative triboelektrische Polarität der beiden Schichten bestimmt. Da Kapton eine stark negative triboelektrische Polarität aufweist40, impliziert die triboelektrische Reihe, dass positive Ladungen an den P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern und negative Ladungen an der Kapton-Oberfläche induziert werden. Wenn die äußere Kraft ausgeschaltet wird, werden die P3HT/PVDF-HFP- und Kapton-Oberflächen getrennt und bilden den freigegebenen Zustand. In diesem Stadium führt die Trennung der Oberflächenladungen zu einem immer stärker werdenden Dipolmoment und erzeugt eine elektrische Potentialdifferenz zwischen den Elektroden. Dadurch beginnen Elektronen vom negativen zum positiven Potential zu fließen und an den Elektroden sammeln sich Ladungen an, was zu einem positiven elektrischen Signal führt. Mehrere physikalische Eigenschaften triboelektrischer Materialien – insbesondere ihre Oberflächenrauheit, Elektronenaffinität, Reibung und Kapazität – beeinflussen die Leistung von TENGs. Unter diesen ist eine hohe Kapazität die wichtigste Eigenschaft zur Verbesserung der Ausgangsleistung der Geräte, gemessen an ihren Ausgangsspannungen und -strömen40,41.

Die elektrischen Eigenschaften der P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser wurden gemessen, während die Betriebsfrequenz, die angelegte äußere Kraft und die äußere Belastung variiert wurden. Abbildung 2a, b zeigt die elektrischen Ausgangsspannungen von P3HT/PVDF-HFP bei verschiedenen Frequenzen bzw. mechanischen Kräften. Wenn die Frequenz bei gleicher Kraft von 10 N von 1 auf 5 Hz variiert wurde, stieg die Spitzenausgangsspannung für die P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten von 52 auf 78 V (Abb. 2a). Eine Erhöhung der Betriebsfrequenz führte zu einer stärkeren Reibung, die aufgrund der schnelleren Kontaktrate zwischen den P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten und der Kaptonschicht mehr Ladungen erzeugte. Dennoch wurde die Ausgangsspannung bei Frequenzen über 10 Hz instabil. Diese Instabilität entstand, weil bei diesen hohen Frequenzen die Kontakt- und Trennungsprozesse der triboelektrischen Schichten unvollständig waren und die Oberflächenladung ihren Maximalwert nicht erreichen konnte. Bei einer festen Betriebsfrequenz von 5 Hz steigt die Ausgangsspannung von P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten von 43 auf 78 V, wenn die ausgeübte Kraft von 10 auf 30 N erhöht wird verbesserter Kontakt zwischen den triboelektrischen Schichten, wodurch mehr elektrische Ladungen erzeugt werden. Bei einer Erhöhung der angelegten Kraft auf 40 N wurde die Oberfläche der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten leicht beschädigt, was eher zu einem Abfall der Ausgangsspannung führte. Abbildung S1 (Ergänzende Informationen) zeigt die elektrischen Ausgangsströme der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern, gemessen bei verschiedenen Frequenzen und mechanischen Kräften. Abbildung 2c zeigt die maximalen Leistungsdaten der elektrogesponnenen PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern mit einer Kontaktfläche von 6,25 cm2 unter einer zyklischen Druckkraft von 30 N bei einer angelegten Frequenz von 5 Hz. Die Ausgangsspannungen der makellosen PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten betrugen bei gleicher mechanischer Kraft 41 bzw. 78 V. Der durchschnittliche Spitze-zu-Spitze-Ausgangsstrom der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten erreichte bis zu 7 μA – ein Wert, der 1,6-mal höher ist als der der makellosen PVDF-HFP-Nanofasermatten (Abb. 2d)42. Die Kombination aus Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom führte dazu, dass die maximale Leistung der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern (0,55 mW) größer war als die, die mit den PVDF-HFP-Nanofasern allein erreichbar war (0,18 mW). Darüber hinaus sind in Abb. 2e, f die gemessenen Spannungsausgänge, Stromausgänge und Leistungsdichten dargestellt, die von den Nanofasermatten unter verschiedenen externen Lastwiderständen (470–1000 MΩ) bei Betrieb mit 5 Hz und 30 N erzeugt wurden. Wenn der Lastwiderstand darunter lag ~ 10 MΩ, die Ausgangsstromdichte blieb bei 1,1 μA/cm2. Die Ausgangsspannung begann anzusteigen, als der Lastwiderstand für die P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatte über ~ 1 MΩ anstieg. Offensichtlich steigt die Ausgangsspannung im Gegensatz zum Ausgangsstrom mit zunehmendem Widerstand bis zur Sättigung. Nach dem Prinzip der Impedanzanpassung erreicht die Ausgangsleistung den Maximalwert, wenn der Widerstand der externen Last gleich dem Innenwiderstand der Stromversorgung (nämlich dem Innenwiderstand des TENG) ist. Folglich wies die P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG eine maximale Ausgangsleistungsdichte von 45 μW/cm2 bei einem Widerstand von 10 MΩ auf. Im Vergleich zur reinen PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG war die Leistungsdichte der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG aufgrund ihrer höheren Oberflächenladung 2,8-mal höher. Die elektrische Leistung von P3HT/PVDF-HFP TENG wird durch die Erhöhung des Verhältnisses von P3TH erhöht. Nanofasern mit einem P3HT-Anteil über 3 Gew.-% können jedoch insbesondere aufgrund der hohen Leitfähigkeit nicht gebildet werden. Die hohe Leitfähigkeit der Lösung kann während des Elektrospinnprozesses zu großen Instabilitäten führen, da zur Herstellung der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatte ein Hochspannungsbetrieb (15 kV) erforderlich ist.

(a, b) Elektrische Ausgangsspannungen der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern bei verschiedenen (a) Frequenzen und (b) mechanischen Kräften. (c) Maximale Ausgangsspannungen und (d) Ströme von TENGs aus elektrogesponnenen PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern, gemessen bei 30 N und 5 Hz. (e) Ausgangsspannung und Stromdichte und (f) Leistungsdichte der TENGs aus PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern, aufgetragen gegen den Widerstand.

Als nächstes wurde die Rolle des P3HT-Polymers bei der Verbesserung der Ausgangsleistung der Nanofaser TENG untersucht. Hier wurde die Oberflächenladung der Nanofasermatten gemessen, um einen direkten Nachweis der Wirkung von P3HT zu ermöglichen. Die Messung wurde mit vorgefertigten Nanofasermatten nach Kontaktreibung mit der Kaptonfolie durchgeführt. Abbildung 3a zeigt, dass die Oberflächenladung der P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern höher war als die der reinen PVDF-HFP-Nanofasern, was auf eine verbesserte Erfassung und Speicherung der triboelektrischen Elektronen nach der Zugabe von P3HT hindeutet und dadurch die entsprechenden Ergebnisse fördert. Die anfänglichen Oberflächenpotentiale der makellosen PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten betrugen 0,9 bzw. 1,9 kV (Abb. 3b), was darauf hindeutet, dass die Oberflächenladung nach Zugabe des P3HT-Polymers zunahm, was zu einer erhöhten elektrischen Leistung führte. Das Oberflächenpotential könnte bei ausreichender Reibung über 200 Minuten anhalten, da die Aufnahme und Speicherung der triboelektrischen Elektronen nach Zugabe des P3HT-Polymers verbessert wird. Daher spielte das P3HT-Polymer eine wichtige Rolle bei der Verbesserung des Reibungsoberflächenpotentials. Darüber hinaus war die Dielektrizitätskonstante von P3HT/PVDF-HFP höher als die von PVDF-HFP (Abb. 3c). Die verbesserten dielektrischen Eigenschaften resultierten vermutlich aus der Grenzflächenpolarisation an der Halbleiter-Isolator-Grenzfläche unter Berücksichtigung des Mikrokondensatormodells und der Perkolationsschwellentheorie beim Einbau des P3HT-Polymers der halbleitenden Phase in das PVDF-HFP-Polymer 28, 43, 44. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der dramatische Anstieg der elektrischen Leistung des P3HT/PVDF-HFP TENG gegenüber dem PVDF-HFP TENG auf Verbesserungen der Oberflächenladung und des Oberflächenpotentials sowie auf Verbesserungen der Dielektrizitätskonstante nach Zugabe des P3HT-Polymers zurückzuführen ist.

(a) Übertragene Ladungen und (b) Retentionszeiten des Oberflächenpotentials für PVDF-HFP- und P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten nach Kontaktreibung mit dem Kaptonfilm. (c) Dielektrizitätskonstanten der Nanofasermatten PVDF-HFP und P3HT/PVDF-HFP.

Abbildung 4a zeigt die Spannungskurven, die beim Laden von Kondensatoren unterschiedlicher Kapazität (0,1, 1, 2,2, 4,7 und 10 μF) mit einem P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser-TENG erhalten werden, wobei der 0,1-μF-Kondensator innerhalb von 15 Sekunden sofort auf 5 V aufgeladen wird S. Die Ladezeit bei Verwendung der PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG (25 s) war länger als bei der P3TH/PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG (Abb. S3). Insbesondere könnten eine LED-Lampenanordnung und eine Digitaluhr mit dem TENG betrieben werden, das die P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten enthält (Abb. 4b und Film S1). Darüber hinaus könnte das P3HT/PVDF-HFP TENG-Gerät nicht nur als autarkes Gerät, sondern auch als Sensor verwendet werden. Die Empfindlichkeit des P3HT/PVDF-HFP TENG wurde durch Variieren der Anzahl der Finger, die auf das Gerät drückten, beurteilt (Abb. 4c). Interessanterweise änderte sich die Form des Ausgangssignals, nämlich die Anzahl der Spitzen, abhängig von der Anzahl der Finger, die auf das Gerät drückten. Die Anzahl der Spitzen, die jedem Betätigungsvorgang des Geräts entsprechen, ist auf den asynchronen Kontakt zurückzuführen. Der Zeitunterschied zwischen einzelnen Peaks beträgt < 0,1 s, was unter normalen Umständen durch wiederholtes Tippen mit einem Finger relativ schwer zu erreichen ist. Daher können die mit der Anzahl korrelierten Peaks als Indikator für die Anzahl der Finger angesehen werden, die das Gerät drücken, was nicht mit dem auf das TENG ausgeübten Druck zusammenhängt. Dementsprechend hat dieses P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser-TENG-Gerät Potenzial für die Anwendung bei der Überwachung menschlicher Handlungen und als Energiequelle.

(a) Kondensatorladung von P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern-TENGs mit verschiedenen Kapazitäten. (b) (I) Schematische Darstellung der Betriebsschaltung für LED-Lampen mit einem Vollwellen-Brückengleichrichter und (II) Foto von 500 in Reihe geschalteten LEDs und einer Digitaluhr, die von einem TENG aus P3HT/PVDF-HFP-Nanofasermatten angetrieben wird ( Gerätegröße: 2,5 cm × 2,5 cm). (c) Empfindlichkeit des P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser-TENG, gemessen durch Variieren der Anzahl der Finger, die auf das Gerät drücken.

Haltbarkeit und Stabilität sind für den praktischen Einsatz jedes TENG äußerst wichtig. Um die mechanische Stabilität des Geräts zu untersuchen, wurde die elektrische Leistung der P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser TENG über eine Dauer von 20.000 Zyklen bei 5 Hz überwacht (Abb. 5a). Der leichte Spannungsanstieg innerhalb der ersten 3500 s könnte darauf zurückzuführen sein, dass eine längere Betriebszeit zu einer höheren Ladungsakkumulation führte. Es gab keine messbare Verschlechterung der Ausgangsspannung über 20.000 Zyklen, was auf eine perfekte Haltbarkeit und Stabilität der P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser TENG schließen lässt. Darüber hinaus ergab ein Test der thermischen Stabilität der P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser TENG (Abb. 5b), dass ihre Ausgangsstromdichte bei Temperaturen von bis zu 60 °C stabil war. Bei höheren Temperaturen begann die Ausgangsspannung zu schwanken.

Elektrische Ausgänge während (a) Langzeitzyklen und (b) Erhitzen der P3HT/PVDF-HFP-Nanofaser TENG.

Halbleitende Nanofasern aus P3HT/PVDF-HFP wurden durch Elektrospinnen hergestellt und als triboelektrische Materialien in TENGs verwendet. Die elektrische Leistung der PVDF-HFP-Nanofasermatte TENG verbesserte sich nach dem Einbau des halbleitenden P3HT-Polymers aufgrund von Verbesserungen der Oberflächenladung, des Oberflächenpotentials und der Dielektrizitätskonstante. Das optimiert gefertigte TENG zeigte Ausgangsleistungen von bis zu 0,55 mW, was ausreicht, um 500 rote LEDs sofort zu betreiben. Darüber hinaus könnte das Gerät unter verschiedenen externen Widerstandslasten effektiv Strom erzeugen. Die Ausgangsspannung des TENG blieb bei Langzeitzyklen und bei Messungen bei Temperaturen bis zu 60 °C stabil. Als abschließende Demonstration des Anwendungspotenzials in einem breiten Spektrum tragbarer Elektronik und autarker Benutzerschnittstellensysteme wurde in dieser Studie eine Digitaluhr mit dem auf einer halbleitenden Nanofasermatte basierenden TENG betrieben.

Die im Rahmen der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind aus Gründen des geistigen Eigentums nicht öffentlich zugänglich, können jedoch auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor angefordert werden.

Wang, ZL & Wu, W. Nanotechnologiegestützte Energiegewinnung für autarke Mikro-/Nanosysteme. Angew. Chem. Int. Ed. 51, 11700–11721 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Peng, K.-Q. et al. Silizium-Nanodrähte für fortschrittliche Energieumwandlung und -speicherung. Nano Today 8, 75–97 (2013).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, Y. et al. Thermoelektrische Nanogeneratoren basierend auf einzelnen Sb-dotierten ZnO-Mikro-/Nanobändern. ACS Nano 6, 6984–6989 (2012).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yang, Y. et al. Pyroelektrische Nanogeneratoren zur Gewinnung thermoelektrischer Energie. Nano Lett. 12, 2833–2838 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL & Song, J. Piezoelektrische Nanogeneratoren basierend auf Zinkoxid-Nanodraht-Arrays. Wissenschaft 312, 242–246 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL et al. Fortschritte bei Nanogeneratoren für tragbare Elektronik. Mater. Heute 15, 532–543 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, ZL Triboelektrische Nanogeneratoren als neue Energietechnologie für autarke Systeme und als aktive mechanische und chemische Sensoren. ACS Nano 7, 9533–9557 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Mahmud, MAP et al. Verbesserung der Oberflächenladungsdichte eines triboelektrischen Nanogenerators auf Kontakttrennungsbasis durch Modifizierung der Oberflächenmorphologie. Mikroelektron. Ing. 159, 102–107 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Nafari, A. & Sodano, HA Oberflächenmorphologieeffekte in einem vibrationsbasierten triboelektrischen Energieernter. Kluge Mater. Struktur. 27, 015029 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Saadatnia, Z. et al. Ein leistungsstarker triboelektrischer Nanogenerator mit porösem Polyimid-Aerogelfilm. Wissenschaft. Rep. 9, 1370 (2019).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Song, G. et al. Molekular konstruierter triboelektrischer Oberflächen-Nanogenerator durch selbstorganisierte Monoschichten (METS). Chem. Mater. 27, 4749–4755 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Shin, S.-H. et al. Bildung triboelektrischer Reihen durch Oberflächenfunktionalisierung auf atomarer Ebene zur triboelektrischen Energiegewinnung. ACS Nano 11, 6131–6138 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Feng, Y. et al. Hochleistungs-Triboelektrischer Nanogenerator mit Polypropylen-Nanodraht-Array durch Oberflächenstrukturkontrolle und chemische Modifikation. Nano Energy 19, 48–57 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Kim, MP, Um, D.-S., Shin, Y.-E. & Ko, H. Hochleistungsfähige triboelektrische Geräte mittels dielektrischer Polarisation: eine Übersicht. Nanoskalige Res. Lette. 16, 35 (2021).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, ZL Triboelektrische Nanogeneratoren als neue Energietechnologie und energieautarke Sensoren – Prinzipien, Probleme und Perspektiven. Faraday-Diskussion. 176, 447–458 (2014).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL, Chen, J. & Lin, L. Fortschritte bei triboelektrischen Nanogeneratoren als neue Energietechnologie und energieautarken Sensoren. Energieumwelt. Wissenschaft. 8, 2250–3228 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, J. et al. Ein flexibles faserbasiertes Superkondensator-triboelektrisches Nanogenerator-Stromversorgungssystem für tragbare Elektronik. Adv. Mater. 27, 4830–4836 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Chen, A., Zhang, C., Zhu, G. & Wang, ZL Polymermaterialien für leistungsstarke triboelektrische Nanogeneratoren. Adv. Wissenschaft. 7, 2000186 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Van Ngoc, H. & Kang, DJ Flexible, transparente und außergewöhnlich leistungsstarke Nanogeneratoren auf Basis ultradünner ZnO-Nanoflocken. Nanoscale 8, 5059–5066 (2016).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Lin, Z.-H. et al. Verbesserte triboelektrische Nanogeneratoren und triboelektrische Nanosensoren unter Verwendung chemisch modifizierter TiO2-Nanomaterialien. ACS Nano 7, 4554–4560 (2013).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Cui, S., Zheng, Y., Liang, J. & Wang, D. Leitender triboelektrischer Nanogenerator auf PPy-Nanodrahtbasis und seine Anwendung für den autarken elektrochemischen kathodischen Schutz. Chem. Wissenschaft. 7, 6477–6483 (2016).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dudem, B., Mule, AR, Patnam, HR & Yu, JS Tragbare und langlebige triboelektrische Nanogeneratoren über mit Polyanilin beschichtete Baumwolltextilien als Bewegungssensor und energieautarkes System. Nano Energy 55, 305–315 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Chun, J. et al. Mit Au-Nanopartikeln imprägnierte mesoporöse Poren als wirksame Dielektrika zur Verbesserung der Leistung triboelektrischer Nanogeneratoren in rauen Umgebungen. Energieumwelt. Wissenschaft. 8, 3006–3012 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, S. et al. Freistehende Nanogeneratoren auf der Basis triboelektrischer Schichten zur Gewinnung von Energie aus einem sich bewegenden Objekt oder menschlicher Bewegung im Kontakt- und Nichtkontaktmodus. Adv. Mater. 26, 2818–2824 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Ye, B. et al. Elektrogesponnene Ionengel-Nanofasern für einen flexiblen triboelektrischen Nanogenerator: elektrochemischer Effekt auf die Ausgangsleistung. Nanoscale 7, 16189 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Jiang, C. et al. Vollständig elektrogesponnener, flexibler triboelektrischer Nanogenerator auf Basis metallischer MXene-Nanoblätter. Nanoenergie 59, 268 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Huang, T. et al. Vom Menschen beim Gehen angetriebener tragbarer triboelektrischer Vollfaser-Nanogenerator mit elektrogesponnenen piezoelektrischen Polyvinylidenfluorid-Nanofasern. Nanoenergie 14, 226 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

Cho, C.-Y. et al. Hohe Dielektrizitätskonstante und niedrige Perkolationsschwelle in Poly(vinylidenfluorid)-Verbundfilmen, die mechanochemisch synthetisierte BaSnF4-Nanodrähte enthalten. ACS-Appl. Elektron. Mater. 1, 2355–2362 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Wilkinson, D., Langer, JS & Sen, PN Verbesserung der Dielektrizitätskonstante nahe einer Perkolationsschwelle. Physik. Rev. B 28, 1081–1087 (1983).

Artikel ADS Google Scholar

Kleinschmidt, AT, Root, SE & Lipomi, DJ Poly(3-hexylthiophen) (P3HT): Fruchtfliege oder Ausreißer in der organischen Solarzellenforschung?. J. Mater. Chem. A 5, 11396–11400 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Holliday, S. et al. Hocheffiziente und luftstabile Polymersolarzellen auf P3HT-Basis mit einem neuen Nicht-Fulleren-Akzeptor. Nat. Komm. 7, 11585 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saito, Y., Sakai, Y., Higashihara, T. & Ueda, M. Direkte Strukturierung von Poly(3-hexylthiophen) und seine Anwendung auf organische Feldeffekttransistoren. RSC Adv. 2, 1285–1288 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Tiwari, S. et al. P3HT-faserbasierter Feldeffekttransistor: Auswirkungen von Nanostruktur und Glühtemperatur. Jpn. J. Appl. Physik. 53, 021601 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Chevrier, M. et al. Funktionalisierung von P3HT-basierten Hybridmaterialien für Photovoltaikanwendungen. In Novel Nanoscale Hybrid Materials 107–177 (2018).

Elashmawi, IS, Alatawi, NS & Elsayed, NH Herstellung und Charakterisierung von Polymer-Nanokompositen auf Basis von PVDF/PVC, dotiert mit Graphen-Nanopartikeln. Ergebnisse Phys. 7, 636–640 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

Chang, M. et al. Photoinduzierte anisotrope supramolekulare Anordnung und verstärkter Ladungstransport von dünnen Poly(3-hexylthiophen)-Filmen. Adv. Funktion. Mater. 24, 4457–4465 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Chang, M. et al. Photoinduzierte anisotrope Anordnung konjugierter Polymere in isolierenden Polymermischungen. ACS-Appl. Mater. Schnittstellen 7, 14095–14103 (2015).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Li, G.-Y. et al. Hierarchischer hochempfindlicher piezoelektrischer Sensor auf Nanofaserbasis aus PVDF-HFP/ZnO-Verbundwerkstoff zur drahtlosen Trainingsüberwachung. Adv. Kompositionen. Hybride Mater. 5, 766–775 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Paternò, GM et al. Neutronenstrahlungstoleranz zweier Benchmark-konjugierter Polymere auf Thiophenbasis: Die Bedeutung der Kristallinität für die organische Avionik. Wissenschaft. Rep. 7, 41013 (2017).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Fan, F.-R., Tian, Z.-Q. & Lin Wang, Z. Flexibler triboelektrischer Generator. Nano Energy 1, 328–334 (2012).

Artikel CAS Google Scholar

Fan, F.-R. et al. Transparente triboelektrische Nanogeneratoren und energieautarke Drucksensoren auf Basis mikrostrukturierter Kunststofffolien. Nano Lett. 12, 3109–3114 (2012).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Liang, Q. et al. Hochtransparenter triboelektrischer Nanogenerator zur Gewinnung wasserbezogener Energie, verstärkt durch Antireflexionsbeschichtung. Wissenschaft. Rep. 5, 9080 (2015).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Meeporn, K., Chanlek, N. & Thongbai, P. Signifikante Verbesserung der dielektrischen Permittivität und des Perkolationsverhaltens von La2−xSrxNiO4/Poly(vinylidenfluorid)-Verbundwerkstoffen mit unterschiedlichen Sr-Dotierungskonzentrationen. RSC Adv. 10, 2747–2756 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dang, Z.-M. et al. Dielektrisches Verhalten und Abhängigkeit der Perkolationsschwelle von der Leitfähigkeit von Füllstoffen in Polymer-Halbleiter-Verbundwerkstoffen. Appl. Physik. Lette. 85, 97–99 (2004).

Artikel ADS CAS Google Scholar

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Diese Forschung wird vom Ministerium für Wissenschaft und Technologie, Taiwan, unter der Projektnummer MOST 109-2222-E-131-001-MY2 gefördert.

Abteilung für Werkstofftechnik, Ming Chi University of Technology, New Taipei City, Taiwan

Meng-Fang Lin, Kang-Wei Chang, Chia-Hsien Lee, Xin-Xian Wu und Yu-Ching Huang

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M.-FL: Konzeptualisierung, Methodik, Schreiben – Originalentwurf, Fördermittelakquise, Betreuung. K.-WC: Methodik, Untersuchung. C.-HL: Untersuchung. X.-XW: Untersuchung. Y.-CH: Ressourcen, Schreiben – Rezension und Bearbeitung.

Korrespondenz mit Meng-Fang Lin oder Yu-Ching Huang.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Zusatzvideo 1.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lin, MF., Chang, KW., Lee, CH. et al. Elektrogesponnene halbleitende P3HT/PVDF-HFP-Nanofasern für triboelektrische Nanogeneratoren. Sci Rep 12, 14842 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19306-1

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Eingegangen: 30. Juni 2022

Angenommen: 26. August 2022

Veröffentlicht: 01. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19306-1

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