طراحي، ساخت و ارزيابي خواص نانوژنراتور تريبوالكتريك بر پايه Mxene

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مواد

دكتري

به دليل افزايش نياز بشر به منابع انرژي پاك، استفاده از نانوژنراتورها براي ذخيره انرژي مكانيكي با سرعت زيادي در حال گسترش است. در ميان انواع مختلف آن‌ها، نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك نسبت به همتايان خود عملكرد بهتري داشته¬اند. مهم ترين چالش اين حوزه افزايش توان خروجي نانوژنراتور و استفاده از مواد پايدار است. هدف از اين پژوهش ساخت نانوژنراتور بر پايه ضايعات كشاورزي و نانوصفحات دو بعدي است. در بخش اول سه پروتئين خوراكي شير گاو، شير سويا و مايع سفيده تخم مرغ، و دو ضايعات كشاورزي پوست ذرت و الياف نارگيل به عنوان لايه‌هاي مثبت در نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك (TENG) مورد بررسي و مقايسه قرار گرفتند. دوام و پايداري لايه¬هاي تهيه شده از پوست ذرت و الياف نارگيل بيش از 7200 چرخه استفاده بدون افت ولتاژ ثبت شد. فاز دوم شامل ساخت و ارزيابي لايه اصطكاكي منفي نانوژنراتور بر پايه نانوساختارهاي دو بعدي است .در اين بخش، نانو صفحه¬هاي دو بعدي نيتريد كربن گرافيتي (gC3N4) با پيروليز اوره سنتز شدند. از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبش SEM، طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز FTIR، پراش پرتو ايكس XRD براي مشخصه يابي ساختار استفاده شده است. سپس دو نانوژنراتور تريبوالكتريك انعطاف پذير، دوستدار زيست محيطي و حساس به نور مبتني بر نانو صفحه¬هاي دو بعدي (gC3N4) به عنوان لايه¬هاي منفي، پوست ذرت و الياف نارگيل به عنوان لايه¬هاي مثبت معرفي شدند. نانوژنراتورهاي ساخته شده از پوست ذرت و الياف نارگيل با ابعاد cm2 2×2، حداكثر توان خروجي mW cm-2 33 و mW cm-2 495 توليد كردند. عملكرد اين دو نانو ژنراتور با اتصال آن¬ها به LED تجاري آبي و همچنين تحت نور UV مورد بررسي قرار گرفت. افزايش تقريباً 5/1 برابري در ولتاژ خروجي هر دو TENG در زير نور UV مشاهده شد كه به دليل جذب نور فرابنفش توسط gC3N4 بوده و نشان دهنده قابليت اين نانوژنراتور به عنوان يك حسگر نوري است. در ادامه، نانوصفحه¬هاي دو بعدي مكسين از اچ كردن پيش ماده Ti3AlC2 سنتز شدند. از آناليز طيف سنجي UV-vis، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبش SEM، پراش پرتو ايكس XRD براي مشخصه يابي ساختار استفاده شد. سپس نانوژنراتور تريبوالكتريك با ابعاد cm2 2×2 بر پايه كامپوزيت پلي وينيل كلرايد/ مكسين (لايه منفي) و كامپوزيت زيستي پلي وينيل الكل/ الياف نارگيل (٪15 وزني) (لايه مثبت) ساخته شد. حداكثر ولتاژ مدار باز و جريان اتصال كوتاه براي اين نانوژنراتور به ترتيب، V 1200 و mA 13 بود. حداكثر توان خروجي mW cm-2 5/1178 به دست آمد. نتايج بررسي توانايي عملكرد اين نانوژنراتور به عنوان يك حسگر نوري، افزايش تقريباً 3/1 برابري در نتايج خروجي در زير نور فرابنفش با طول موج nm 390 را نشان دادند كه نشان دهنده برانگيختگي نانوصفحات مكسين در نانوژنراتور تحت نور فرابنفش است. راندمان تبديل توان لحظه¬اي 15/27 و پاسخگويي نوري نيز V/W 104 × 3/1 به دست آمد كه با تحقيقات انجام شده تاكنون قابل مقايسه بوده و عملكرد قابل توجه نانوژنراتور ساخته شده را به عنوان يك دستگاه ذخيره انرژي مكانيكي به طور همزمان يك حسگر نوري نشان مي¬دهد. در اين پژوهش به طور كلي هشت نانوژنراتور تريبوالكتريك مختلف ساخته شده و با هم مقايسه شدند. تأثير پارامترهاي مختلف همچون روش پوشش دهي، نوع زيرلايه، نوع الكترود، نوع فاز حامل، غلظت سوسپانسيون، تركيب درصد كامپوزيت¬ها، مساحت لايه¬ها، تعداد لايه¬هاي پوشش، فركانس و مقاومت بهينه بررسي شدند. در نهايت، از ميان نانوژنراتورهاي ساخته شده در اين پژوهش، نانوژنراتور بر پايه كامپوزيت پلي وينيل كلرايد/ مكسين (لايه منفي) و كامپوزيت زيستي پلي وينيل الكل/ الياف نارگيل (٪15 وزني) (لايه مثبت)، بيشترين توان خروجي و بالاترين دوام را داشت. اين نانوژنراتور چند منظوره ساخته شده از مكسين، پتانسيل بالايي در برداشت و سنجش انرژي دارد كه راه جديدي را براي استفاده همزمان از انرژي مكانيكي و نور از محيط اطراف ما هموار مي¬كند.

237210

فناوري نانو/نانو مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان