Toxische gasvrije synthese van zwavelcopolymeer en fluorrijke polymeermengsels. (a) schema van de synthese van het polymeermengsel door inverse vulkanisatie. (b) Gemigreerd fluorrijk polymeer naar het oppervlak van polymeermengselfilm door thermische energie, waardoor hoge tribo-elektrische prestaties worden bereikt. Krediet: Inha University
Een tribo-elektrische nanogenerator (TENG) is een apparaat voor het oogsten van energie dat mechanische energie omzet in elektriciteit door contactscheiding of relatieve schuifbewegingen van twee tegengestelde tribopolaire materialen. Onderzoekers van de Inha University rapporteerden eerder het eerste voorbeeld van op zwavel-backbone-polymeer gebaseerde TENG. Het oppervlak van de zwavelcopolymeerfilm werd direct gefluoreerd met behulp van giftig fluorgas om de TENG-prestaties te verbeteren.
Zwavel en fluor hebben een hogere elektronenaffiniteit (EA) van respectievelijk -200 kJ/mol en -322 kJ/mol in vergelijking met de EA van koolstof (-122 kJ/mol). De gefluoreerde zwavelcopolymeerfilm kan een zesvoudige en drievoudige toename van spanning en stroom bereiken in vergelijking met polytetrafluorethyleen (PTFE), het huidige conventionele negatieve materiaal. Bovendien is elementaire zwavel een bijproduct van aardolieraffinage; daarom is zwavel met een hoge zuiverheid in de handel verkrijgbaar tegen lage kosten. Om de operationele veiligheid van deze techniek in praktische industriële toepassingen te garanderen, is het echter noodzakelijk om afvalverwerkingssystemen te ontwerpen, evenals methoden voor het terugwinnen van het giftige fluorgas.
Om deze beperkingen te overwinnen, hebben onderzoekers onlangs een gemakkelijke en toxische-fluorgasvrije route gerapporteerd voor de synthese van extreem negatieve tribo-elektrische polymeermengsels die een fluorrijk polymeer (poly(pentafluorstyreen), PPFS) en een zwavelruggengraat omvatten gebaseerd polymeer. Bij deze methode werden PPFS-moleculen fasegescheiden op het luchtinterface via heet persen, wat resulteerde in zeer efficiënte tribo-elektrische energiewinning. Ondanks de lage beladingswaarde (7,5 gew.%) van PPFS, overschreed de oppervlaktedekking ervan 90% als gevolg van de fasescheiding in de gemengde film veroorzaakt door een hoge differentiatie van oppervlakte-energieën tussen het zwavelcopolymeer en PPFS.
De lokalisatie van aanzienlijke hoeveelheden fluor op de filmoppervlakken gaf de polymeermengsels extreem negatieve tribo-elektrische eigenschappen. De tribo-elektrische prestaties van de polymeermengselfilms in het onderzoek waren significant beter dan die van de conventionele op koolstof-ruggengraat gebaseerde polymeren. De op polymeermengsel gebaseerde TENG presenteerde stabiele prestaties op lange termijn van ~ 26 uur en verbeterde spannings- en stroomoutputs die respectievelijk 8- en 9-voudig hoger waren dan die van een op PTFE gebaseerde TENG. Ten slotte demonstreerden de onderzoekers het vermogen van een 4-inch filmgebaseerde TENG om 400 in serie geschakelde blauwe LED’s van 3,3 V van stroom te voorzien door de polymeermengselfilm met een tribo-elektrische nullastspanning van ~ 1360 V.
Door dit werk zal de fasescheidingsstrategie van fluorrijke polymeren van zwavelpolymeren inzichten verschaffen voor onderzoek in zowel de academische wereld als de industrie om schaalbare, goedkope, milieuvriendelijke en hoogwaardige tribo-elektrische energiewinning te bereiken.
Het onderzoek is gepubliceerd in Nano-energie.
Jinhyeok Choi et al, Giftige gasvrije synthese van extreem negatieve tribo-elektrische zwavelcopolymeermengsels via fasescheiding van fluorrijke polymeren, Nano-energie (2021). DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106761
Nano-energie
Geleverd door Inha University
