توصيفگر ها :
نانوژنراتور تريبوالكتريك , نانوكامپوزيت حافظه‌دار متخلخل , تفلون فوق آب‌گريز , شارژ كردن ساعت هوشمند , حسگر رطوبت , برداشت انرژي باد
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، طراحي و ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك چند منظوره بر پايه نانوكامپوزيت‌هاي حافظه‌دار بررسي شد. براي اين منظور ابتدا دو نانوكامپوزيت متخلخل فوم ملامين/پلي‌وينيل الكل/نانوذرات آلومينيوم اكسيد و فوم پلي‌اتيلن/ پلي‌اترايميد/نانوصفحات كربن نيتريد گرافيتي سنتز شد. اين دو نانوكامپوزيت پس از مشخصه‌يابي و بهينه كردن شرايط سنتز، توسط پارافين كه نقش كليد‌هاي مولكولي را دارد، به حالت حافظه‌دار تبديل شد. بررسي خاصيت حافظه‌داري اين نانوكامپوزيت‌ها نشان دهنده توانايي بازيابي كامل تغييرشكل‌هاي ايجاد شده به حالت اوليه توسط آن‌ها است. در ادامه اين دو نانوكامپوزيت حافظه‌دار سنتز شده بر پايه فوم ملامين و فوم پلي‌اتيلن به ترتيب به عنوان لايه‌هاي تريبوالكتريك مثبت و منفي براي ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك با حالت اتصال-جدايش عمودي استفاده شدند. ولتاژ، جريان و توان خروجي اين نانوژنراتور به ترتيب 3/2185 ولت، 2/16 ميكروآمپر و 8/96 ميلي‌وات بر سانتي‌متر مربع به دست آمد. همچنين، تأثير حافظه‌دار بودن نانوكامپوزيت‌ها بر افزايش دوام نانوژنراتور تريبوالكتريك بررسي شد و نتايج نشان داد كه كاهش عملكرد خروجي نانوژنراتور تريبوالكتريك در اثر تغييرشكل‌هاي لايه‌هاي تريبوالكتريك، به طور كامل قابل بازيابي است. در ادامه عملكرد اين نانوژنراتور براي سه كاربرد مهم نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك شامل منبع انرژي، حسگر خودشارژ شونده و برداشت انرژي باد بررسي شد. اين نانوژنراتور قادر به روشن كردن 150 ديود نوري و شارژ كردن خازن با ظرفيت‌هاي الكتريكي متفاوت بود و در نهايت توانست يك ساعت هوشمند را شارژ كند. همچنين، به دليل تأثير افزايش رطوبت محيط بر كاهش عملكرد نانوژنراتور تريبوالكتريك، توانست به عنوان يك حسگر خودشارژ شونده براي تشخيص رطوبت استفاده شود. در ادامه به دليل حساسيت نانوژنراتور تريبوالكتريك ساخته شده بر پايه نانوكامپوزيت‌هاي حافظه‌دار به رطوبت محيط، از تفلون فوق آب‌گريز متخلخل براي ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك به منظور برداشت انرژي باد استفاده شد. تفلون داراي خاصيت حافظه‌داري ذاتي است و بعد از سه دقيقه فرايند پلاسماي اكسيژن با توان 90 وات، مي‌تواند به حالت فوق آب‌گريز متخلخل با زاويه ترشوندگي 1/165 درجه تبديل شد. در ادامه تفلون فوق آب‌گريز پس از مشخصه‌يابي به عنوان لايه تريبوالكتريك منفي براي ساخت نانوژنراتور استفاده شد. ولتاژ، جريان و توان خروجي اين نانوژنراتور به ترتيب 5/680 ولت، 9/3 ميكروآمپر و 9/40 ميلي‌وات بر سانتي‌متر مربع بود. همچنين، بررسي تأثير رطوبت بر عملكرد آن نشان داد كه با افزايش رطوبت محيط تا 80 درصد، مقدار كاهش خروجي نانوژنراتور تريبوالكتريك حدود 10 درصد است، درحالي كه براي تفلون مسطح اين مقدار به 55 درصد مي‌رسد. بنابراين نانوكامپوزيت‌هاي حافظه‌دار سنتز شده و تفلون متخلخل فوق آب‌گريز به ترتيب گزينه مناسبي براي ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك با قابليت استفاده در كاربرد منبع انرژي/ حسگر رطوبت و برداشت انرژي باد هستند.
چكيده انگليسي :
The fabrication of high-performance multifunctional triboelectric nanogenerators (TENGs) with shape memory capabilities is critical for durable self-powering electronic devices in real-world applications. For this purpose, two novel porous shape memory polymer nanocomposites, including melamine foam/polyvinyl alcohol/Al2O3 NPs and polyethylene foam/polyetherimide/g-C3N4 nanosheets, were designed to create a high-durable and high-performance multiple TENG. These shape memory nanocomposites were driven by employing paraffin as switching molecules. The nanocomposites show outstanding thermal-actuated shape recovery capabilities by heating at 75 °C. The prepared TENG device excels in output performance (great output voltage of 1837 V with a power density of 79.66 mW.cm-2) but exhibits a performance decline owing to nanocomposite deformation after lengthy working under harsh circumstances owing to nanocomposite deformation. This distortion, however, can be totally recovered by heating at 75 °C, restoring TENG’s performance to its original level. Furthermore, the capability of TENG for three main applications, including the power source, self-powering sensor, and harvesting blue energy, was evaluated. The TENG proved to turn on 150 LEDs, charge capacitors, power smartwatches, and sense the humidity percent of the environment. However, TENG’s output performance is dependent on the environment’s humidity. So, the shape memory and superhydrophobic polytetrafluoroethylene (PTFE) with porous structure were used for the fabrication of a TENG with the ability to harvest wind energy as a blue environment energy. The superhydrophobic PTFE with the porous structure and a contact angle of 165.1 was synthesized using oxygen plasma treatment with time and power of 3 minutes and 90 W. Also, the PTFE had intrinsic shape memory property by heating at 340, leading to the recovery of the deformation of its morphology and the related drop in the contact angle. This PTFE was designed to fabricate TENG for wind energy harvesting. This TENG’s output voltage, current, and power density were 680.5 V, 3.9 μA, and 41 mW.cm-2. Furthermore, this TENG was humidity resistant, in which the effect of humidity enhancement until 80% on the performance drop was 10 % in front of the 50 % voltage drop for the original PTFE-based TENG. Therefore, these shape memory nanocomposites-based TENG may open up new possibilities for future multifunctional self-powered electrical devices and sensors for harvesting any mechanical waste energy.
