شماره مدرك
20991
شماره راهنما
2461 دكتري
پديد آورنده
رئيسي خيرآبادي، نوشين
عنوان
طراحي، ساخت و ارزيابي خواص نانوژنراتور تريبوالكتريك بر پايه Mxene
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
فناوري نانو/نانو مواد
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1402
صفحه شمار
چهارده، 127 ص.: مصور، جدول
توصيفگر ها
ناومواد
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/08
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مواد
دانشكده
مهندسي مواد
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/02/08
كد ايرانداك
2973858
چكيده فارسي
به دليل افزايش نياز بشر به منابع انرژي پاك، استفاده از نانوژنراتورها براي ذخيره انرژي مكانيكي با سرعت زيادي در حال گسترش است. در ميان انواع مختلف آنها، نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك نسبت به همتايان خود عملكرد بهتري داشته¬اند. مهم ترين چالش اين حوزه افزايش توان خروجي نانوژنراتور و استفاده از مواد پايدار است. هدف از اين پژوهش ساخت نانوژنراتور بر پايه ضايعات كشاورزي و نانوصفحات دو بعدي است. در بخش اول سه پروتئين خوراكي شير گاو، شير سويا و مايع سفيده تخم مرغ، و دو ضايعات كشاورزي پوست ذرت و الياف نارگيل به عنوان لايههاي مثبت در نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك (TENG) مورد بررسي و مقايسه قرار گرفتند. دوام و پايداري لايه¬هاي تهيه شده از پوست ذرت و الياف نارگيل بيش از 7200 چرخه استفاده بدون افت ولتاژ ثبت شد.
فاز دوم شامل ساخت و ارزيابي لايه اصطكاكي منفي نانوژنراتور بر پايه نانوساختارهاي دو بعدي است .در اين بخش، نانو صفحه¬هاي دو بعدي نيتريد كربن گرافيتي (gC3N4) با پيروليز اوره سنتز شدند. از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبش SEM، طيف سنجي تبديل فوريه مادون قرمز FTIR، پراش پرتو ايكس XRD براي مشخصه يابي ساختار استفاده شده است. سپس دو نانوژنراتور تريبوالكتريك انعطاف پذير، دوستدار زيست محيطي و حساس به نور مبتني بر نانو صفحه¬هاي دو بعدي (gC3N4) به عنوان لايه¬هاي منفي، پوست ذرت و الياف نارگيل به عنوان لايه¬هاي مثبت معرفي شدند. نانوژنراتورهاي ساخته شده از پوست ذرت و الياف نارگيل با ابعاد cm2 2×2، حداكثر توان خروجي mW cm-2 33 و mW cm-2 495 توليد كردند. عملكرد اين دو نانو ژنراتور با اتصال آن¬ها به LED تجاري آبي و همچنين تحت نور UV مورد بررسي قرار گرفت. افزايش تقريباً 5/1 برابري در ولتاژ خروجي هر دو TENG در زير نور UV مشاهده شد كه به دليل جذب نور فرابنفش توسط gC3N4 بوده و نشان دهنده قابليت اين نانوژنراتور به عنوان يك حسگر نوري است. در ادامه، نانوصفحه¬هاي دو بعدي مكسين از اچ كردن پيش ماده Ti3AlC2 سنتز شدند. از آناليز طيف سنجي UV-vis، تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبش SEM، پراش پرتو ايكس XRD براي مشخصه يابي ساختار استفاده شد. سپس نانوژنراتور تريبوالكتريك با ابعاد cm2 2×2 بر پايه كامپوزيت پلي وينيل كلرايد/ مكسين (لايه منفي) و كامپوزيت زيستي پلي وينيل الكل/ الياف نارگيل (٪15 وزني) (لايه مثبت) ساخته شد. حداكثر ولتاژ مدار باز و جريان اتصال كوتاه براي اين نانوژنراتور به ترتيب، V 1200 و mA 13 بود. حداكثر توان خروجي mW cm-2 5/1178 به دست آمد. نتايج بررسي توانايي عملكرد اين نانوژنراتور به عنوان يك حسگر نوري، افزايش تقريباً 3/1 برابري در نتايج خروجي در زير نور فرابنفش با طول موج nm 390 را نشان دادند كه نشان دهنده برانگيختگي نانوصفحات مكسين در نانوژنراتور تحت نور فرابنفش است. راندمان تبديل توان لحظه¬اي 15/27 و پاسخگويي نوري نيز V/W 104 × 3/1 به دست آمد كه با تحقيقات انجام شده تاكنون قابل مقايسه بوده و عملكرد قابل توجه نانوژنراتور ساخته شده را به عنوان يك دستگاه ذخيره انرژي مكانيكي به طور همزمان يك حسگر نوري نشان مي¬دهد. در اين پژوهش به طور كلي هشت نانوژنراتور تريبوالكتريك مختلف ساخته شده و با هم مقايسه شدند. تأثير پارامترهاي مختلف همچون روش پوشش دهي، نوع زيرلايه، نوع الكترود، نوع فاز حامل، غلظت سوسپانسيون، تركيب درصد كامپوزيت¬ها، مساحت لايه¬ها، تعداد لايه¬هاي پوشش، فركانس و مقاومت بهينه بررسي شدند. در نهايت، از ميان نانوژنراتورهاي ساخته شده در اين پژوهش، نانوژنراتور بر پايه كامپوزيت پلي وينيل كلرايد/ مكسين (لايه منفي) و كامپوزيت زيستي پلي وينيل الكل/ الياف نارگيل (٪15 وزني) (لايه مثبت)، بيشترين توان خروجي و بالاترين دوام را داشت. اين نانوژنراتور چند منظوره ساخته شده از مكسين، پتانسيل بالايي در برداشت و سنجش انرژي دارد كه راه جديدي را براي استفاده همزمان از انرژي مكانيكي و نور از محيط اطراف ما هموار مي¬كند.
چكيده انگليسي
The fabricated EW-TENG performed the electrophoretic deposition of ZnO nanoparticles on copper layers without microcracks in the coating. COMSOL Multiphysics software was used to simulate the potential distribution of the fabricated nanogenerator. The durability and stability of the layer prepared from egg white was poor, after 5000 cycles of use, the coating cracked. Therefore, in the second part, agricultural wastes (corn husks and coconut coir fibers) were used to make positive friction layers. The durability and stability of the layers prepared from corn husks and coconut fibers were recorded for more than 7200 usage cycles without voltage drop.
The second phase includes the construction and evaluation of the negative friction layer of the nanogenerator based on two-dimensional nanostructures. In this section, two-dimensional graphitic carbon nitride (gC3N4) nanosheets were synthesized by pyrolysis of urea. Scanning electron microscope images (SEM), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and X-ray diffraction (XRD) have been used to characterize the structure. Then, two environmentally friendly and photosensitive triboelectric nanogenerators based on 2D gC3N4 were introduced as negative layers, corn husks and coconut fibers as positive layers. Nanogenerators made of corn husks and coconut fibers with dimensions of 2*2 cm2 produced a maximum output power of 33 mW/cm2 and 495 mW/cm2, respectively. The performance of these two TENGs was investigated by connecting them to commercial blue LED and also under UV light. An approximately 1.5-fold increase in the output voltage of both TENGs was observed under UV light, which is due to the absorption of UV light by gC3N4 nanosheets and indicates the capability of this nanogenerator as an optical sensor. Next, two-dimensional Mxene nanosheets were synthesized by etching Ti3AlC2 precursor. UV-vis spectroscopic analysis, SEM, and XRD were used to characterize the structure. Then, a TENG with dimensions of 2*2 cm2 was made based on polyvinyl chloride/maxine composite (negative layer) and polyvinyl alcohol/coconut fiber biocomposite (15% by weight) (positive layer). The maximum open circuit voltage and short circuit current for this nanogenerator were 1200 V and 13 mA, respectively. The maximum output power was 1178.5 mW/cm2. The results of investigating the performance of this nanogenerator as an optical sensor showed an increase of approximately 1.3 times in the output results under UV light with a wavelength of 390 nm, which indicates the excitation of maxin nanoplates in the nanogenerator under ultraviolet light. The power conversion efficiency of 27.15 and the responsivity (R) of 1.3*104 V/W were obtained, which are comparable with the research carried out so far and show the remarkable performance of the fabricated nanogenerator as a mechanical energy storage device and simultaneously a light sensor.
In this research, eight different triboelectric nanogenerators were made and compared. The effect of different parameters such as coating methods, type of substrates, type of electrodes, type of carrier phases, concentration of suspensions, composition of composites, area of layers, number of coating layers, frequency, and optimal resistance were investigated. Finally, among the introduced nanogenerators, the nanogenerator based on polyvinyl chloride/Mxene composite (negative layer) and polyvinyl alcohol/coconut fiber biocomposite (15% by weight) (positive layer) had the highest output power and the highest durability. This multifunctional nanogenerator based on Mxene has a high potential in harvesting and measuring energy, which paves a new way to simultaneously use mechanical energy and light from our surroundings.
استاد راهنما
فتح اله كريم زاده , محمدحسين عنايتي
استاد داور
حميدرضا سليمي جزي , مهران نحوي , بهروز موحدي