Исследователи из Университета штата Бойсе разработали новый экологически чистый трибоэлектрический наногенератор (ТЭНГ), который полностью напечатан и способен собирать биомеханическую энергию и энергию окружающей среды, одновременно функционируя как датчик движения в режиме реального времени.
Инновация использует композит из поли(винилбутираля-со-винилового спирта-со-винилацетата) (ПВБВА) и нанолистов MXene (Ti₃C₂Tx). Это устойчивая альтернатива традиционным ТЭНГам, которые часто основаны на фторированных полимерах и сложных технологиях производства.
Трибоэлектрические наногенераторы
Трибоэлектрические наногенераторы — это инновационные устройства для сбора энергии, которые преобразуют механическую энергию в электричество с помощью трибоэлектрического эффекта. Они были изобретены профессором Чжун Линь Ваном из Технологического института Джорджии и генерируют энергию за счёт контакта и движения между материалами, что делает их идеальными для таких приложений, как носимая электроника, датчики IoT и устройства с автономным питанием.
Исследование опубликовано в журнале Nano Energy
Эта работа, опубликованная в журнале Nano Energy, под руководством аспиранта Аджая Пратапа под руководством профессора Дэвида Эстрады из Школы материаловедения и инженерии Micron при Университете штата Бойсе, демонстрирует, как аддитивное производство может создавать высокопроизводительные, совместимые с кожей и гибкие устройства для реальных приложений в области сбора энергии, носимой электроники и взаимодействия человека с машиной.
Результаты исследования
Интегрируя 5,5 мг/мл MXene — недавно открытого класса атомарно тонких материалов — в печатаемую чернилами ПВБВА, команда достигла замечательного напряжения холостого хода в 252 В, тока короткого замыкания в 2,8 мкА и пиковой плотности мощности в 760 мВт/м². Высокая диэлектрическая постоянная композита и улучшенные свойства переноса заряда, обусловленные сильной межфазной поляризацией и синергетическим эффектом между MXene и ПВБВА, обеспечили высокую производительность и долгосрочную механическую стабильность даже после 10 000 циклов изгиба.
«Это исследование подчёркивает потенциал сочетания устойчивых материалов с передовыми технологиями печати», — сказал Аджай Пратап. «Устранив вредные растворители и включив MXene в экологически чистую полимерную матрицу, мы создали масштабируемую систему сбора энергии, которая не только эффективна, но и экологически безопасна».
Команда также продемонстрировала полностью напечатанное устройство ТЭНГа, изготовленное с использованием чернил на основе этанола и серебряных электродов, которое оказалось эффективным для обнаружения человеческой активности, такой как ходьба, бег, сгибание колен и прыжки. Кроме того, команда продемонстрировала сбор энергии дождевой воды и питание в режиме реального времени таких устройств, как светодиоды и секундомеры, что подчёркивает универсальность платформы.
Профессор Эстрада подчеркнул: «Работа Аджая подчёркивает, как системы сбора энергии следующего поколения могут использовать биомеханическое движение для генерации энергии в реальном времени. Его инновационный подход с использованием устойчивых материалов и аддитивного производства прокладывает путь для носимых устройств с автономным питанием, которые преобразуют повседневную человеческую деятельность в полезную энергию».
Предоставлено Университетом штата Бойсе.