Mxene-polymeer composiet maakt gedrukt, milieuvriendelijk apparaat mogelijk voor energieopvang en bewegingsdetectie

Onderzoekers van de Boise State University hebben een nieuwe, milieuvriendelijke tribo-elektrische nanogenerator (teng) ontwikkeld die volledig gedrukt is en in staat is om biomechanische en milieu-energie te oogsten en tegelijkertijd te functioneren als een realtime bewegingssensor. De innovatie maakt gebruik van een composiet van poly (vinyl butyral-co-vinyl alcohol-co-vinycetaat) (pvbva) en mxene (ti₃C₂T_X) nanosheets, die een duurzaam alternatief bieden voor conventionele tengs die vaak afhankelijk zijn van gefluoreerde polymeren en complexe fabricage.

Tengs zijn innovatieve energie-oogstende apparaten die mechanische energie omzetten in elektriciteit met behulp van het tribo-elektrische effect. Ze werden uitgevonden door Prof. Zhong Lin Wang van het Georgia Institute of Technology en genereren kracht door contact en beweging tussen materialen, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen zoals draagbare elektronica, IoT-sensoren en zelf-aangedreven apparaten.

Dit werk, gepubliceerd in het dagboek Nano -energie en geleid door Ph.D. Student Ajay Pratap onder toezicht van Prof. David Estrada van de Micron School of Materials Science and Engineering aan de Boise State University, toont aan hoe additieve productie krachtige, huidcompatibele en flexibele apparaten kan produceren voor real-world toepassingen in energieophoogte, draagbare elektronica en menselijke machine-interactie.

Door 5,5 mg/ml mxene te integreren-een recent ontdekte klasse atomisch dunne materialen-in een afdrukbare PVBVA-inkt, behaalde het team een ​​opmerkelijke 252 V open-circuitspanning, 2,8 µA kortsluitstroom en een piekvermogendichtheid van 760 mW/m/m². De hoge diëlektrische constante en verbeterde ladingsoverdrachtseigenschappen van de composiet toegeschreven aan een sterke grensvlakpolarisatie en synergetisch effect tussen MXene en PVBVA maakten deze hoge prestaties en langdurige mechanische stabiliteit mogelijk, zelfs na 10.000 buigcycli.

“Dit onderzoek onderstreept de belofte om duurzame materialen te combineren met geavanceerde printtechnieken,” zei Ajay Pratap. “Door schadelijke oplosmiddelen te elimineren en MXene op te nemen in een milieuvriendelijke polymeermatrix, hebben we een schaalbaar energieopvangsysteem gecreëerd dat niet alleen efficiënt maar ook milieubewust is.”

Het team demonstreerde ook een volledig gedrukt Teng-apparaat-gefabriceerd met behulp van een op ethanol gebaseerde inkt- en zilverelektroden-dat effectief bleek te zijn bij het detecteren van menselijke activiteiten zoals wandelen, rennen, kniebuigen en springen. Bovendien demonstreerde het team regenwater energie-oogst en realtime stroomvermogen van apparaten zoals LED’s en stopwatches, wat de veelzijdigheid van het platform benadrukt.

Prof. Estrada benadrukte: “Het werk van Ajay benadrukt hoe de volgende generatie energie-oogstsystemen biomechanische beweging kan benutten om kracht in realtime te genereren. Zijn innovatieve aanpak met duurzame materialen en additieve productie maakt de weg vrij voor zelfaangestane draagbare apparaten die de dagelijkse menselijke activiteit omzetten in nuttige energie.”