banner

Noticias

Apr 29, 2023

Electrospun P3HT/PVDF

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14842 (2022) Citar este artículo

1805 Accesos

6 citas

Detalles de métricas

En este artículo se describe un método sencillo de electrohilado para fabricar nanogeneradores triboeléctricos (TENG) de nanofibras semiconductoras de poli(3-hexiltiofeno) (P3HT)/poli(fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP). Las mediciones de las propiedades eléctricas de los TENG de nanofibras semiconductoras P3HT/PVDF-HFP revelaron que el voltaje de salida podría mejorarse hasta 78 V con una corriente de salida de 7 μA. La potencia de salida del dispositivo alcanzó los 0,55 mW, suficiente para alimentar instantáneamente 500 diodos emisores de luz roja, así como un reloj digital. El TENG de nanofibras semiconductoras P3HT/PVDF-HFP podría usarse no solo como un dispositivo autoalimentado sino también como un sensor para monitorear la acción humana. Además, mostró una buena durabilidad cuando se sometió a 20.000 ciclos de una prueba de fuerza externa.

El mercado en rápida expansión de productos electrónicos personales, especialmente dispositivos electrónicos portátiles y dispositivos para el control de la salud y el medio ambiente, está aumentando la demanda de fuentes de energía portátiles1. A la luz de cualquier crisis energética potencialmente emergente, será necesario buscar formas de minimizar los desechos electrónicos, en particular los que se originan en la producción y eliminación de baterías. Se están investigando tecnologías de energía alternativa, incluidas las células solares2, la termoelectricidad3,4 y los nanogeneradores5, para proporcionar la electricidad para dispositivos electrónicos personales portátiles6. El nanogenerador desarrollado por el grupo Wang7 es un medio prometedor y atractivo para proporcionar energía a dispositivos portátiles y, al mismo tiempo, minimizar las preocupaciones sobre el desecho de baterías y otras fuentes de energía externas. En general, los nanogeneradores triboeléctricos (Tengs) convierten la energía mecánica de los desechos de varias fuentes en electricidad; Han atraído mucha atención por su alta eficiencia de conversión de energía y su fabricación económica. La mayoría de los materiales que se han utilizado en los TENG provienen de materia orgánica, por lo que su producción puede expandirse fácilmente a gran escala, con posibles aplicaciones industriales.

El principio de funcionamiento de un TENG implica los efectos combinados de la triboelectrificación y la inducción electrostática durante el contacto (o la fricción entre) dos materiales dieléctricos que tienen polaridades triboeléctricas opuestas. Debido a que la triboelectrificación es un efecto de carga superficial, las estructuras y composiciones de las superficies de los materiales triboeléctricos tienen efectos críticos en la salida de los TENG. La modificación de la superficie (p. ej., controlando la morfología de la superficie8,9,10 o introduciendo iones cargados11,12,13) ​​puede aumentar la densidad de carga de la superficie aumentando el área superficial o la diferencia en la polaridad triboeléctrica de las capas. Alternativamente, el aumento de la constante dieléctrica puede mejorar la capacitancia de la capa dieléctrica, aumentando así la densidad de carga superficial. Así, la constante dieléctrica de un material triboeléctrico es otro factor importante que afecta el desempeño triboeléctrico14.

Aunque prácticamente todos los materiales presentan triboelectricidad, el desarrollo de nuevos materiales triboeléctricos con micro y nanoestructuras especiales puede mejorar el rendimiento de los TENG15,16. Varios tipos de materiales, incluidos polímeros aislantes [p. ej., politetrafluoroetileno (PTFE), nailon, polidimetilsiloxano (PDMS)]17,18, semiconductores inorgánicos (p. ej., TiO2, ZnO)19,20, polímeros conductores [p. ej., polipirrol (PPy), polianilina (PANI)]13,21,22 y metales (por ejemplo, Au, Al)23,24, se han utilizado como materiales triboeléctricos en TENG. Aunque se obtuvo un TENG que mostró un rendimiento mejorado al usar nanomateriales semiconductores inorgánicos de TiO2 modificados químicamente20, se requieren altas temperaturas para la fabricación de nanomateriales de TiO2. Wang et al. prepararon un TENG que incorporaba el polímero conductor PPy21, pero su enfoque requería una polimerización electroquímica con óxido de aluminio anódico (AAO) como plantilla, lo que hacía que el proceso de fabricación fuera lento y costoso. La técnica de electrohilado se ha utilizado ampliamente para construir nanogeneradores con estructura de fibra. Se ha informado sobre la fabricación de nanofibras de gel de iones electrohilados para nanogeneradores triboeléctricos flexibles25. Jiang et al. informaron sobre la introducción de MXene nanosheet para fabricar un TENG26 completamente electropunzado. La potencia de salida de ambos dispositivos informados no es suficiente para encender más de 50 diodos emisores de luz para una aplicación práctica. Además, un TENG basado en nanofibras de PVDF electrohilado se ha fabricado como un nanogenerador triboeléctrico portátil. La potencia de salida fue suficiente para encender 250 LED27. Sin embargo, falta una aplicación más práctica.

Cuando la fracción volumétrica de los rellenos conductores se acerca al umbral de percolación, las mezclas de materiales conductores pueden aumentar drásticamente la permitividad dieléctrica de los polímeros, mientras que al mismo tiempo preservan la flexibilidad mecánica del polímero, debido a la carga de relleno relativamente baja28,29. El material conductor elegido para este estudio fue el polímero semiconductor orgánico poli(3-hexiltiofeno) (P3HT), que ha atraído mucha atención por sus posibles aplicaciones en células solares30,31 y transistores32,33, como resultado de su alto impacto ambiental y térmico. Estabilidad, alta conductividad eléctrica y alta procesabilidad de la solución34. Aquí, el electrohilado se usó para combinar P3HT con poli (fluoruro de vinilideno-co-hexafluoropropileno) (PVDF-HFP) para producir nanofibras. Las alfombras de nanofibra electrohiladas se usaron para fabricar el Teng. Hasta donde sabemos, este documento es el primero en informar sobre un TENG basado en nanofibras fabricado a partir de una mezcla simple del polímero semiconductor orgánico P3HT, utilizado para mejorar las propiedades de salida eléctrica del dispositivo. Las propiedades eléctricas de las nanofibras P3HT/PVDF-HFP fueron superiores a las del PVDF-HFP prístino, como resultado de un aumento en la constante dieléctrica al agregar el P3HT semiconductor. El voltaje de salida máximo del dispositivo TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP alcanzó hasta 78 V con una corriente de salida correspondiente de 7 μA bajo una fuerza de compresión cíclica de 30 N aplicada a una frecuencia de 5 Hz. La potencia de salida máxima que se pudo obtener fue de 0,55 mW, suficiente para alimentar 500 diodos emisores de luz (LED) rojos de forma instantánea. Además, el dispositivo podría generar energía de manera efectiva bajo varias resistencias externas. Como prueba de aplicabilidad práctica, las esteras de nanofibras semiconductoras se usaron para alimentar un reloj digital, lo que sugiere la posibilidad de desarrollar una amplia gama de dispositivos electrónicos portátiles y sistemas interactivos humanos autoalimentados.

El P3HT de tipo p regioregular [poli (3-hexiltiofeno-2,5-diilo)] se adquirió de Sigma-Aldrich y se usó tal como se recibió. También se adquirieron PVDF-HFP (peso molecular medio: 400 000) y tetrahidrofurano (THF) de Sigma-Aldrich.

El electrohilado se utilizó para fabricar nanofibras de PVDF-HFP, así como sus compuestos con P3HT. Se usó una concentración de 17% en peso de PVDF-HFP en la solución THF para el electrohilado para producir las nanofibras. La solución compuesta de P3HT/PVDF-HFP en la solución THF se preparó mediante la agitación continua de una mezcla de 3% en peso de P3HT con PVDF-HFP/THF. La solución compuesta de P3HT/PVDF-HFP se electrospun con una aguja roma de 18G, a un voltaje de 15 kV, una velocidad de bombeo de 0,3 ml/h y una distancia entre la aguja y el colector de 130 mm, para formar las nanofibras. Todas las nanofibras se recogieron sobre la lámina de aluminio utilizada como superficie del suelo.

Se realizó microscopía electrónica de barrido (SEM, Hitachi, Modelo S-5200) a 8 kV para determinar las morfologías de las nanofibras y la capa de Ag depositada. La espectroscopia de absorción UV-Vis se realizó utilizando un espectrómetro Jasco V-650. Los espectros Raman se registraron utilizando un espectrómetro Horiba HR 550, con una longitud de onda de excitación de 532 nm. La constante dieléctrica se midió utilizando un aparato M6632. La carga transferida se midió usando un electrómetro de sistema Keithley 6517B. El potencial superficial de las esteras de nanofibras fabricadas se midió usando un voltímetro electrostático (Dong Il Technology, Model ARM-S050). La salida de voltaje y corriente del dispositivo triboeléctrico se midió utilizando un osciloscopio (Tektronix, Modelo DPO 3040). La presión mecánica dinámica se aplicó mediante un agitador magnético (Sinocera, modelo JZK-20) bajo varias fuerzas (1–40 N) y frecuencias (1–10 Hz). La carga superficial se midió usando un electrómetro de sistema Keithley 6517B (impedancia: > 200 TΩ).

Se empleó una técnica de electrohilado convencional para fabricar esteras de nanofibras semiconductoras con espesores que oscilan entre 10 y 200 μm (Fig. 1a). Se investigaron las características materiales del nuevo material compuesto. La Figura 1b presenta una imagen SEM de una nanofibra P3HT/PVDF-HFP electrohilada. Se dispusieron nanofibras sólidas lisas y sin perlas en una red con fibras orientadas al azar. El diámetro promedio de las nanofibras fue de aproximadamente 500 nm. Para investigar el impacto del polímero conductor P3HT en las propiedades electrónicas de las esteras de nanofibras electrohiladas, se registraron espectros UV-Vis en el rango de longitud de onda de 190 a 900 nm (Fig. 1c). El pico de absorción ubicado a 290 nm representó PVDF-HFP35 semicristalino. El espectro de las nanofibras electrohiladas de P3HT/PVDF-HFP presentaba otro pico de absorción cerca de 520 nm, correspondiente a las transiciones intrabanda π–π* en cadenas poliméricas individuales desordenadas36,37. El espectro Raman de la película de fibra PVDF-HFP prístina (Fig. 1d) reveló picos correspondientes a su fase α a 712 y 887 cm–1 y fase β a 807 cm–138. Por el contrario, el espectro Raman de la película de nanofibras P3HT/PVDF-HFP estuvo dominado por señales de estiramiento simétrico C=C a 1450 cm–1 y estiramiento intraanillo C–C a 1375 cm–1, consistente con la deslocalización de electrones π y un grado de orden estructural en los politiofenos39. Los cambios significativos en los espectros de absorción y Raman tras la incorporación de P3HT insinuaron un cambio correspondiente en la constante dieléctrica.

( a ) Representación esquemática de la configuración de electrohilado para producir las nanofibras. (b) imágenes SEM y (c) UV-Vis y (d) espectros Raman de nanofibras electrohiladas compuestas de PVDF-HFP prístino y 3% en peso de P3HT/PVDF-HFP. (e) Representación esquemática simplificada del proceso de generación de energía eléctrica de TENG basados ​​en nanofibras semiconductoras.

La Figura 1e proporciona una descripción general del principio de funcionamiento de un TENG en modo de separación de contacto vertical, que involucra una combinación de triboelectrificación e inducción electrostática. Antes del contacto, no existe flujo de electrones en el estado inicial en el circuito externo. Una vez que se aplica una fuerza externa para poner en contacto las nanofibras P3HT/PVDF-HFP semiconductoras electrohiladas y Kapton, se produce una transferencia de carga superficial en la interfaz, debido a un efecto triboeléctrico. La dirección de la transferencia de carga está determinada por la polaridad triboeléctrica relativa de las dos capas. Debido a que Kapton tiene una fuerte polaridad triboeléctrica negativa40, la serie triboeléctrica implica que se inducen cargas positivas en las nanofibras de P3HT/PVDF-HFP y cargas negativas en la superficie de Kapton. Cuando se apaga la fuerza externa, las superficies P3HT/PVDF-HFP y Kapton se separan para formar el estado liberado. En esta etapa, la separación de las cargas superficiales conduce a un momento dipolar cada vez más fuerte y crea una diferencia de potencial eléctrico entre los electrodos. Como consecuencia, los electrones comienzan a fluir del potencial negativo al positivo y las cargas se acumulan en los electrodos, lo que da como resultado una señal eléctrica positiva. Varias propiedades físicas de los materiales triboeléctricos, en particular, la rugosidad de la superficie, la afinidad electrónica, la fricción y la capacitancia, afectan el rendimiento de los TENG. Entre ellos, la alta capacitancia es la propiedad más importante para mejorar el rendimiento de salida de los dispositivos, medido en términos de sus voltajes y corrientes de salida40,41.

Las propiedades eléctricas de la nanofibra P3HT/PVDF-HFP se midieron mientras se variaba la frecuencia operativa, la fuerza externa aplicada y la carga externa. Las figuras 2a, b muestran los voltajes de salida eléctrica de P3HT/PVDF-HFP a varias frecuencias y fuerzas mecánicas, respectivamente. Cuando la frecuencia varió de 1 a 5 Hz bajo la misma fuerza aplicada de 10 N, el voltaje de salida máximo para las esteras de nanofibras P3HT/PVDF-HFP aumentó de 52 a 78 V (Fig. 2a). El aumento de la frecuencia de operación dio como resultado una fricción más intensa, lo que generó más cargas, debido a una tasa de contacto más rápida entre las mallas de nanofibras P3HT/PVDF-HFP y la capa de Kapton. Sin embargo, el voltaje de salida se volvió inestable a frecuencias superiores a 10 Hz. Esta inestabilidad surgió porque, a estas altas frecuencias, los procesos de contacto y separación de las capas triboeléctricas eran incompletos, impidiendo que la carga superficial alcanzara su valor máximo. Con una frecuencia operativa fija de 5 Hz, el voltaje de salida de las mallas de nanofibras P3HT/PVDF-HFP aumenta de 43 a 78 V al aumentar la fuerza aplicada de 10 a 30 N. Este comportamiento probablemente resultó de una mayor fuerza de compresión, lo que llevó a contacto mejorado entre las capas triboeléctricas, lo que resulta en la generación de más cargas eléctricas. Cuando la fuerza aplicada se incrementó a 40 N, la superficie de las esteras de nanofibras P3HT/PVDF-HFP se dañó levemente, lo que resultó en una caída del voltaje de salida. La Figura S1 (Información complementaria) proporciona las corrientes de salida eléctrica de las nanofibras P3HT/PVDF-HFP medidas a varias frecuencias y fuerzas mecánicas. La figura 2c muestra los datos de rendimiento de salida máxima de las nanofibras de PVDF-HFP y P3HT/PVDF-HFP electrohiladas que tienen un área de contacto de 6,25 cm2 bajo una fuerza de compresión cíclica de 30 N a una frecuencia aplicada de 5 Hz. Los voltajes de salida de las esteras de nanofibras prístinas de PVDF-HFP y P3HT/PVDF-HFP fueron de 41 y 78 V, respectivamente, bajo la misma fuerza mecánica. La corriente de salida pico a pico promedio de las mallas de nanofibras P3HT/PVDF-HFP alcanzó hasta 7 μA, un valor 1,6 veces mayor que el de las mallas de nanofibras vírgenes de PVDF-HFP (Fig. 2d)42. La combinación del voltaje de circuito abierto y la corriente corta condujo a que la potencia máxima de las nanofibras P3HT/PVDF-HFP (0,55 mW) fuera mayor que la alcanzable solo con las nanofibras PVDF-HFP (0,18 mW). Además, la Fig. 2e, f presenta las salidas de voltaje medidas, las salidas de corriente y las densidades de potencia generadas por las mallas de nanofibras bajo varias resistencias de carga externas (470–1000 MΩ) cuando se opera a 5 Hz y 30 N. Cuando la resistencia de carga estaba por debajo ~ 10 MΩ, la densidad de corriente de salida se mantuvo en 1,1 μA/cm2. El voltaje de salida comenzó a aumentar a medida que la resistencia de carga aumentaba por encima de ~ 1 MΩ para la malla de nanofibras P3HT/PVDF-HFP. Claramente, a diferencia de la corriente de salida, la tensión de salida aumenta con el aumento de la resistencia hasta la saturación. De acuerdo con el principio de adaptación de impedancia, cuando la resistencia de la carga externa es igual a la resistencia interna de la fuente de alimentación (es decir, la resistencia interna del TENG), la potencia de salida alcanza el valor máximo. En consecuencia, la estera de nanofibras P3HT/PVDF-HFP TENG exhibió una densidad de potencia de salida máxima de 45 μW/cm2 a una resistencia de 10 MΩ. En comparación con la estera de nanofibras de PVDF-HFP prístina TENG, la densidad de potencia de la estera de nanofibras de P3HT/PVDF-HFP TENG fue 2,8 veces mayor, debido a su mayor carga superficial. La salida eléctrica de P3HT/PVDF-HFP TENG aumenta al aumentar la proporción de P3TH. Sin embargo, no se pueden formar nanofibras con una cantidad de P3HT superior al 3% en peso, en particular debido a la alta conductividad. La alta conductividad de la solución puede causar grandes inestabilidades durante el proceso de electrohilado, ya que se requiere una operación de alto voltaje (15 kV) para fabricar la malla de nanofibras P3HT/PVDF-HFP.

(A, B) Voltajes de salida eléctricos de las nanofibras P3HT/PVDF-HFP a varias (a) frecuencias y (b) fuerzas mecánicas. (c) Voltajes de salida máximos y (d) Corrientes de Tengs compuestas por nanofibras PVDF-HFP y P3HT/PVDF-HFP, medidas a 30 N y 5 Hz. ( e ) Voltaje de salida y densidad de corriente y ( f ) densidad de potencia de los TENG compuestos por nanofibras PVDF-HFP y P3HT / PVDF-HFP, trazadas con respecto a la resistencia.

A continuación, se investigó el papel del polímero P3HT en la mejora del rendimiento de salida del TENG de nanofibras. Aquí, se midió la carga superficial de las esteras de nanofibras para proporcionar evidencia directa del efecto de P3HT. La medición se realizó utilizando esteras de nanofibras fabricadas después de la fricción de contacto con la película de Kapton. La Figura 3a revela que la carga superficial de las nanofibras de P3HT/PVDF-HFP fue mayor que la de las nanofibras de PVDF-HFP prístinas, lo que sugiere una mejor captura y almacenamiento de los electrones triboeléctricos después de agregar P3HT, lo que promueve las salidas correspondientes. Los potenciales superficiales iniciales de las esteras de nanofibras prístinas de PVDF-HFP y P3HT/PVDF-HFP fueron de 0,9 y 1,9 kV, respectivamente (Fig. 3b), lo que indica que la carga superficial aumentó después de agregar el polímero P3HT, lo que resultó en una salida eléctrica mejorada. El potencial de la superficie podría durar más de 200 minutos con suficiente fricción debido a la mejora de la captura y el almacenamiento de los electrones triboeléctricos después de agregar el polímero P3HT. Por lo tanto, el polímero P3HT desempeñó un papel importante en la mejora del potencial de la superficie de fricción. Además, la constante dieléctrica de P3HT/PVDF-HFP fue mayor que la de PVDF-HFP (Fig. 3c). Las propiedades dieléctricas mejoradas probablemente fueron el resultado de la polarización interfacial en la interfaz semiconductor-aislante, teniendo en cuenta el modelo de microcondensador y la teoría del umbral de percolación, al incorporar el polímero P3HT de fase semiconductora en el polímero PVDF-HFP28,43,44. En resumen, el aumento dramático en la salida eléctrica de P3HT/PVDF-HFP TENG sobre PVDF-HFP TENG surgió de mejoras en la carga superficial y el potencial y de mejoras en la constante dieléctrica después de agregar el polímero P3HT.

( a ) Cargas transferidas y ( b ) tiempos de retención del potencial de superficie para esteras de nanofibras PVDF-HFP y P3HT / PVDF-HFP después de la fricción de contacto con la película Kapton. ( c ) Constantes dieléctricas de las esteras de nanofibras PVDF-HFP y P3HT / PVDF-HFP.

La Figura 4a muestra las curvas de voltaje obtenidas al cargar capacitores de capacitancia variable (0.1, 1, 2.2, 4.7 y 10 μF) con un TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP, con el capacitor de 0.1 μF sometido a carga instantánea a 5 V dentro de 15 s. El tiempo de carga cuando se usó el tapete de nanofibras PVDF-HFP TENG (25 s) fue más largo que el del tapete de nanofibras P3TH/PVDF-HFP TENG (Fig. S3). En particular, un conjunto de bombillas LED y un reloj digital podrían funcionar con el TENG que contiene las esteras de nanofibras P3HT/PVDF-HFP (Fig. 4b y Película S1). Además, el dispositivo P3HT/PVDF-HFP TENG podría utilizarse no solo como dispositivo autoalimentado sino también como sensor. La sensibilidad del P3HT/PVDF-HFP TENG se evaluó variando el número de dedos que presionan el dispositivo (Fig. 4c). Curiosamente, la forma de la señal de salida, es decir, la cantidad de picos, cambió según la cantidad de dedos que presionaban el dispositivo. El número de picos correspondientes a cada evento de presionar el dispositivo se debe al contacto asíncrono. La diferencia de tiempo entre los picos individuales es < 0,1 s, lo que es relativamente difícil de lograr tocando repetidamente con un solo dedo en circunstancias normales. Por lo tanto, el número de picos correlacionados puede considerarse como un indicador del número de dedos que presionan el dispositivo que no está relacionado con la presión aplicada sobre el TENG. En consecuencia, este dispositivo TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP tiene potencial para su aplicación en el seguimiento de las acciones humanas y como fuente de energía.

(a) Capacitor de carga de nanofibras P3HT/PVDF-HFP Tengs con varias capacitancias. (b) (I) Representación esquemática del circuito de funcionamiento de las bombillas LED con un puente rectificador de onda completa y (II) fotografía de 500 LED conectados en serie y un reloj digital alimentado por un TENG formado por esteras de nanofibras P3HT/PVDF-HFP ( tamaño del dispositivo: 2,5 cm × 2,5 cm). (c) Sensibilidad de la nanofibra P3HT/PVDF-HFP Teng, medida variando el número de dedos presionando el dispositivo.

La durabilidad y la estabilidad son extremadamente importantes para las aplicaciones prácticas de cualquier TENG. Para examinar la estabilidad mecánica del dispositivo, se controló la salida eléctrica de la TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP durante una duración de 20 000 ciclos a 5 Hz (Fig. 5a). El aumento leve del voltaje dentro de los primeros 3500 s podría deberse a que un tiempo de operación más largo resultó en la acumulación de más carga. No hubo una degradación medible en el voltaje de salida durante 20 000 ciclos, lo que sugiere una durabilidad y estabilidad perfectas para la TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP. Además, una prueba de la estabilidad térmica del TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP (Fig. 5b) reveló que su densidad de corriente de salida era estable a temperaturas de hasta 60 °C. A temperaturas más altas, el voltaje de salida comenzó a fluctuar.

Salidas eléctricas durante (a) ciclos a largo plazo y (b) calentamiento de la TENG de nanofibras P3HT/PVDF-HFP.

Se han producido nanofibras semiconductoras que consisten en P3HT/PVDF-HFP mediante electrohilado y se han utilizado como materiales triboeléctricos en TENG. La salida eléctrica de la estera de nanofibras PVDF-HFP TENG mejoró después de incorporar el polímero P3HT semiconductor, debido a las mejoras en la carga superficial, el potencial superficial y la constante dieléctrica. El TENG fabricado optimizado exhibió potencias de salida de hasta 0,55 mW, suficiente para operar 500 LED rojos instantáneamente. Además, el dispositivo podría generar energía de manera efectiva bajo varias cargas de resistencia externa. El voltaje de salida del TENG se mantuvo estable durante ciclos a largo plazo y cuando se midió a temperaturas de hasta 60 °C. Como demostración final del potencial de aplicación en una amplia gama de dispositivos electrónicos portátiles y sistemas de interfaz humana autoalimentados, un reloj digital fue alimentado por el TENG basado en una estera de nanofibras semiconductoras en este estudio.

Los conjuntos de datos generados y/o analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a problemas de propiedad intelectual, pero están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

Wang, ZL & Wu, W. Recolección de energía habilitada por nanotecnología para micro/nanosistemas autoalimentados. Angew. química En t. ed. 51, 11700–11721 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Peng, K.-Q. et al. Nanocables de silicio para conversión y almacenamiento de energía avanzada. Nano Hoy 8, 75–97 (2013).

Artículo CAS Google Académico

Yang, Y. et al. Nanogeneradores termoeléctricos basados ​​en micro/nanobelts de ZnO dopados con SB. ACS Nano 6, 6984–6989 (2012).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Yang, Y. et al. Nanogeneradores piroeléctricos para la captación de energía termoeléctrica. Nano Lett. 12, 2833–2838 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL & Song, J. Nanogeneradores piezoeléctricos basados ​​en matrices de nanocables de óxido de zinc. Ciencia 312, 242–246 (2006).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL y col. Avances en nanogeneradores para electrónica portátil. Mate. Hoy 15, 532–543 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Wang, ZL Nanogeneradores triboeléctricos como nueva tecnología energética para sistemas autoalimentados y como sensores mecánicos y químicos activos. ACS Nano 7, 9533–9557 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Mahmud, MAP et al. Mejora de la densidad de carga superficial de un nanogenerador triboeléctrico basado en separación de contactos mediante la modificación de la morfología de la superficie. Microelectrón. Ing. 159, 102–107 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Nafari, A. & Sodano, HA Efectos de la morfología superficial en un captador de energía triboeléctrico basado en vibraciones. Mate inteligente. Estructura. 27, 015029 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Saadatnia, Z. et al. Un nanogenerador triboeléctrico de alto rendimiento que utiliza una película de aerogel de poliimida porosa. ciencia Rep. 9, 1370 (2019).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Canción, G. et al. Nanogenerador triboeléctrico de superficie diseñado molecularmente mediante monocapas autoensambladas (METS). química Mate. 27, 4749–4755 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Shin, S.-H. et al. Formación de series triboeléctricas a través de la funcionalización de la superficie a nivel atómico para la recolección de energía triboeléctrica. ACS Nano 11, 6131–6138 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Feng, Y. et al. Nanogenerador triboeléctrico de matriz de nanocables de polipropileno de alto rendimiento a través del control estructural de la superficie y la modificación química. Nanoenergía 19, 48–57 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Kim, MP, Um, D.-S., Shin, Y.-E. & Ko, H. Dispositivos triboeléctricos de alto rendimiento mediante polarización dieléctrica: una revisión. Resolución a nanoescala Letón. 16, 35 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, ZL Nanogeneradores triboeléctricos como nueva tecnología energética y sensores autoalimentados: principios, problemas y perspectivas. Discusión de Faraday. 176, 447–458 (2014).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wang, ZL, Chen, J. & Lin, L. Avances en nanogeneradores triboeléctricos como nueva tecnología energética y sensores autoalimentados. Entorno Energético. ciencia 8, 2250–3228 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Wang, J. et al. Un sistema de energía de nanogenerador triboeléctrico-supercondensador basado en fibra flexible para dispositivos electrónicos portátiles. Adv. Mate. 27, 4830–4836 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Chen, A., Zhang, C., Zhu, G. & Wang, ZL Materiales poliméricos para nanogeneradores triboeléctricos de alto rendimiento. Adv. ciencia 7, 2000186 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Van Ngoc, H. & Kang, DJ Nanogeneradores flexibles, transparentes y de salida de potencia excepcionalmente alta basados ​​en nanoflakes ultrafinos de ZnO. Nanoescala 8, 5059–5066 (2016).

Artículo ADS PubMed CAS Google Scholar

Lin, Z.-H. et al. Nanogeneradores triboeléctricos mejorados y nanosensor triboeléctrico utilizando nanomateriales de TiO2 modificados químicamente. ACS Nano 7, 4554–4560 (2013).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Cui, S., Zheng, Y., Liang, J. y Wang, D. Nanogenerador triboeléctrico basado en nanocables de polímero PPy conductor y su aplicación para protección catódica electroquímica autoalimentada. química ciencia 7, 6477–6483 (2016).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dudem, B., Mule, AR, Patnam, HR & Yu, JS Nanogeneradores triboeléctricos portátiles y duraderos a través de textiles de algodón recubiertos con polianilina como sensor de movimiento y sistema autoalimentado. Nanoenergía 55, 305–315 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Chun, J. et al. Poros mesoporosos impregnados con nanopartículas de Au como dieléctricos efectivos para mejorar el rendimiento de los nanogeneradores triboeléctricos en entornos hostiles. Entorno Energético. ciencia 8, 3006–3012 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Wang, S. et al. Nanogeneradores independientes basados ​​en capas triboeléctricas para recolectar energía de un objeto en movimiento o del movimiento humano en modos de contacto y sin contacto. Adv. Mate. 26, 2818–2824 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Ye, B. et al. Nanofibras de gel de iones electrohilados para nanogenerador triboeléctrico flexible: efecto electroquímico en la potencia de salida. Nanoescala 7, 16189 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Jiang, C. et al. Nanogenerador triboeléctrico flexible totalmente electrohilado basado en nanoláminas MXene metálicas. Nanoenergía 59, 268 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Huang, T. et al. Nanogenerador triboeléctrico de fibra portátil impulsado por humanos que contiene nanofibras piezoeléctricas de fluoruro de polivinilideno electrohilado. Nanoenergía 14, 226 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Cho, C.-Y. et al. Alta constante dieléctrica y bajo umbral de percolación en películas compuestas de poli(fluoruro de vinilideno) que contienen nanocables BaSnF4 sintetizados mecanoquímicamente. Aplicación ACS. Electrón. Mate. 1, 2355–2362 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Wilkinson, D., Langer, JS & Sen, PN Mejora de la constante dieléctrica cerca de un umbral de percolación. física Rev. B 28, 1081–1087 (1983).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Kleinschmidt, AT, Root, SE & Lipomi, DJ Poli(3-hexiltiofeno) (P3HT): ¿mosca de la fruta o valor atípico en la investigación de células solares orgánicas?. J.Mater. química A5, 11396–11400 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Holliday, S. et al. Células solares de polímero basadas en P3HT de alta eficiencia y estables al aire con un nuevo aceptor sin fullereno. Nat. común 7, 11585 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Saito, Y., Sakai, Y., Higashihara, T. & Ueda, M. Patrones directos de poli (3-hexiltiofeno) y su aplicación al transistor de efecto de campo orgánico. RSC Avanzado. 2, 1285–1288 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Tiwari, S. et al. Transistor de efecto de campo basado en fibra P3HT: efectos de la nanoestructura y la temperatura de recocido. Jpn. Aplicación J. física 53, 021601 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chevrier, M. et al. Funcionalización de materiales híbridos basados ​​en P3HT para aplicaciones fotovoltaicas. En Novel Nanoscale Hybrid Materials 107–177 (2018).

Elashmawi, IS, Alatawi, NS & Elsayed, NH Preparación y caracterización de nanocompuestos poliméricos basados ​​en PVDF/PVC dopados con nanopartículas de grafeno. Resultados Phys. 7, 636–640 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Chang, M. et al. Ensamblaje supramolecular anisotrópico fotoinducido y transporte de carga mejorado de películas delgadas de poli(3-hexiltiofeno). Adv. Función Mate. 24, 4457–4465 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Chang, M. et al. Montaje anisotrópico fotoinducido de polímeros conjugados en mezclas de polímeros aislantes. Aplicación ACS. Mate. Interfaces 7, 14095–14103 (2015).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Li, G.-Y. et al. Sensor piezoeléctrico de alta sensibilidad basado en nanofibras compuestas jerárquicas de PVDF-HFP/ZnO para el control inalámbrico del entrenamiento. Adv. compos. Materia Híbrida. 5, 766–775 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Paterno, GM et al. Tolerancia a la radiación de neutrones de dos polímeros conjugados a base de tiofeno de referencia: la importancia de la cristalinidad para la aviónica orgánica. ciencia Rep. 7, 41013 (2017).

Artículo ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Fan, F.-R., Tian, ​​Z.-Q. & Lin Wang, Z. Generador triboeléctrico flexible. Nano Energía 1, 328–334 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Ventilador, F.-R. et al. Nanogeneradores triboeléctricos transparentes y sensores de presión autoalimentados basados ​​en películas plásticas micropatronadas. Nano Lett. 12, 3109–3114 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Liang, Q. et al. Nanogenerador triboeléctrico de alta transparencia para la recolección de energía relacionada con el agua reforzado con un revestimiento antirreflectante. ciencia Rep. 5, 9080 (2015).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Meeporn, K., Chanlek, N. y Thongbai, P. Mejora significativa de la permitividad dieléctrica y el comportamiento de percolación de compuestos La2−xSrxNiO4/poli(fluoruro de vinilideno) con diferentes concentraciones de dopaje Sr. RSC Avanzado. 10, 2747–2756 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Dang, Z.-M. et al. Comportamiento dieléctrico y dependencia del umbral de percolación de la conductividad de los rellenos en compuestos polímero-semiconductor. aplicación física Letón. 85, 97–99 (2004).

Artículo ADS CAS Google Académico

Descargar referencias

Esta investigación está otorgada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de Taiwán bajo el número de proyecto: MOST 109-2222-E-131-001-MY2.

Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad Tecnológica Ming Chi, Nueva Ciudad de Taipei, Taiwán

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

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

M.-FL: conceptualización, metodología, redacción-borrador original, obtención de fondos, supervisión. K.-WC: metodología, investigación. C.-HL: investigación. X.-XW: investigación. Y.-CH: recursos, redacción-revisión y edición.

Correspondencia a Meng-Fang Lin o Yu-Ching Huang.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Vídeo complementario 1.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Lin, MF., Chang, KW., Lee, CH. et al. Nanofibras semiconductoras P3HT/PVDF-HFP electrohiladas para nanogeneradores triboeléctricos. Informe científico 12, 14842 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19306-1

Descargar cita

Recibido: 30 junio 2022

Aceptado: 26 de agosto de 2022

Publicado: 01 septiembre 2022

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

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.

COMPARTIR