توصيفگر ها :
نانوژنراتور تريبوالكتريك , گرافن , پلي دي متيل سيلوكسان , كامپوزيت , اصلاح سطحي
چكيده فارسي :
در اين پژوهش ساخت، مشخصه¬يابي و كاربرد نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك حاوي نانوكامپوزيت گرافن-پلي دي متيل سيلوكسان (PDMS) انجام شد. در اين راستا، سه راهبرد براي اصلاح سطحي و افزايش خروجي نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك بر پايه PDMS اتخاذ گرديد. در مسير اول كه با رويكرد اصلاح تركيب شيميايي انجام شد، لايه¬هاي نازك كامپوزيتي گرافن-PDMS حاوي 0، 05/0، 5/0، 1 و 5/1 درصد وزني گرافن با ضخامت μm 600±50 تهيه شدند. نتايج بررسي خواص سطحي و الكتريكي لايه¬ها نشان داد كه در رابطه با خواص الكتريكي مانند رسانايي الكتريكي و ضريب دي الكتريك، از مهم¬ترين عوامل موثر بر عملكرد لايه¬ها در نانوژنراتور تريبوالكتريك زبري سطحي و بار الكتريكي سطحي هستند. نانوژنراتور تريبوالكتريك تهيه¬شده با كامپوزيت 1 درصد وزني گرافن-PDMS بالاترين خروجي الكتريكي (ولتاژ پيك تا پيك V5/0 ≈ Vp-p و جريان پيك تا پيك nA75 ≈ Ip-p، بيشينه ولتاژ V 103 ≈ Vmax و چگالي توان W/m2 6/2) را داشت كه در مقايسه با خروجي الكتريكي نانوژنراتور تريبوالكتريك پايه PDMS، بيشتر از سه برابر افزايش را نشان داد و به عنوان نانوژنراتور تريبوالكتريك بهينه انتخاب شد. افزايش ميزان گرافن به بالاتراز 1 درصد وزني، به علت كلوخه¬اي شدن گرافن، باعث افت خروجي نانوژنراتور تريبوالكتريك شد. نتايج بررسي¬ها نشان داد كه اين نانوژنراتور تريبوالكتريك مي¬تواند خروجي الكتريكي خود را طي 15000 سيكل كاري در شرايط كاري بهينه حفظ كند. در مسير دوم كه با رويكرد بهبود عملكرد نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك بر پايه كامپوزيت گرافن-PDMS انجام گرفت، اصلاح سطحي با روش¬هاي ليتوگرافي، ليزر، آندايزينگ و كاغذ سنباده ايجاد شد. نتايج نشان داد كه ايجاد الگو توسط روش¬هاي اصلاح سطحي مذكور، موجب بهبود خواص سطحي و افزايش زبري سطحي و چگالي بار الكتريكي كامپوزيت¬هاي گرافن-PDMS شدند كه عملكرد نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك را بهبود دادند. به علاوه، اين نانوژنراتورهاي تريبوالكتريكي، خروجي الكتريكي خود را طي 10000 سيكل كاري در شرايط كاري بهينه حفظ كردند. بالاترين خروجي الكتريكي با استفاده از روش ليتوگرافي با ايجاد الگوي سطحي خطوط موازي حاصل شد (ولتاژ پيك تا پيك 38/3 ≈ Vp-p و جريان پيك تا پيك μA05/3 ≈ Ip-p و چگالي توان W/m2 7/9)كه در مقايسه با نمونه بدون الگوي سطحي، بيشتر از 4 برابر افزايش در چگالي توان خروجي داشته است. در مسير سوم به منظور اصلاح چالش رويكرد اول، كه عدم پراكندگي يكنواخت گرافن در درصدهاي بالا در زمينه PDMS و كلوخه¬اي شدن آن بود، از ساختار سه بعدي براي كامپوزيت استفاده شد و كامپوزيت فوم گرافن (گرافن سه¬بعدي)-PDMS به روش نفوذدهي در خلاء تهيه شد. خروجي الكتريكي شامل ولتاژ پيك تا پيك 72/3 ≈ Vp-p و جريان پيك تا پيك μA 78/3 ≈ Ip-p، بيشينه ولتاژ V 170 ≈ Vp-p و چگالي توان W/m2 7) توسط نانوژنراتور تريبوالكتريك كامپوزيت فوم گرافن (گرافن سه¬بعدي)-PDMS حاصل شد كه تقريباً 3 برابر چگالي توان خروجي نانوژنراتور تريبوالكتريك 1 درصد وزني گرافن-PDMS حاصل از مسير اول پژوهش (بدون الگوي سطحي) است. به علاوه، خروجي الكتريكي نانوژنراتور تريبوالكتريك در 15000 سيكل كاري در شرايط كاري بهينه پايدار بود. همچنين بررسي توزيع پتانسيل الكتريكي نانوژنراتورهاي تربيوالكتريك بهينه انجام شد كه تطابق خوبي با نتايج تجربي داشت.در نهايت، نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك بهينه براي روشن كردن لامپ LED، ساعت ديجيتال، ماشين حساب ديجيتال، دماسنج ديجيتال، دستگاه سنجش قند خون ديجيتال، و پوشش¬دهي نانوذرات TiO2 روي زيرلايه فولاد زنگ¬نزن به روش الكتروفورتيك با موفقيت به كار رفتند.
چكيده انگليسي :
This study focused systematically on the fabrication, characterization, and application of triboelectric nanogenerators (TENGs) based on graphene-polydimethylsiloxane (PDMS@Gr) nanocomposite. In this regard, three strategies were utilized for surface modification and improving the output of PDMS-based TENGs. In the first approach, which was based on modifying the chemical composition, PDMS@Gr layers containing 0, 0.05, 0.5, 1, and 1.5 wt % with a thickness of 600±50 μm were prepared. The results indicated that the most significant factors affecting the TENGs performance is surface charge density. The TENG with 1 wt.% graphene showed the highest output (peak-to-peak voltage ≈ 0.5 V, peak-to-peak current ≈ 75 nA, maximum peak-to-peak voltage ≈ 103 V, and maximum output power ≈ 2.6 W/m2) under the optimum working conditions, which was three times higher than that of the pristine PDMS-based TENG.To improve the performance of TENGs based on graphene-PDMS composite, surface modification was carried out by lithography, laser, anodizing and sandpaper methods in the second approach. The highest electrical output was achieved using the lithography method (Vp-p ≈ 3.38, Ip-p ≈ 3.05 μA, and Pmax ≈ 7.9 W/m2) which was four times higher than that of the TENG with no pattern. In the third approach, to address the challenge of the first approach, which was the non-uniform dispersion of graphene at high percentages in the PDMS matrix and its agglomeration, PDMS/three-dimensional (3D) graphene foam composite (PDMS@3DG) was prepared by vacuum infiltration method. The PDMS@3DG TENG exhibited the highest electrical output (Vp-p ≈ 3.72 V, Ip-p ≈ 3.78 μA, Vmax ≈ 170 V, and Pmax ≈ 7 W/m2), which was three times greater than that of the pristine PDMS-based TENG. Besides, the TENGs performance stayed stable after 10000 working cycles under the optimum working conditions (impact frequency of 5 Hz and an applied force of 15 N). Furthermore, the experimental output voltage measurement of the TENGs was proved by COMSOL Multiphysics software. Finally, the optimized TENGs were used to power LED lights, digital clocks, digital calculators, digital thermometers, digital blood glucose meters, and electrophoretic deposition of TiO2 nanoparticles on a stainless-steel substrate.
