壓電納米發(fā)電機（PENG）由于其高溫敏感性，在集成到高溫應(yīng)用中時面臨挑戰(zhàn)。特定二維納米材料的異質(zhì)結(jié)構(gòu)有可能提高PENG在高溫下的實際應(yīng)用性能。因此，本研究將氮摻雜石墨烯（NGr）和Ti
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x-MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米填料引入聚偏二氟乙烯（PVDF）基體中，在高溫振動環(huán)境中進行能量收集。通過優(yōu)化NGr-Ti
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x的適宜配比，實現(xiàn)了可重復(fù)穩(wěn)定的全溶液制備。在室溫下，納米發(fā)電機的最佳輸出電壓為9.0 V，電流為1.5μA。因此，當(dāng)溫度升高到90°C時，它增加到24.0 V和1.75μA，獲得3.85μW/cm
2的功率密度。這種優(yōu)異的性能歸功于所設(shè)計的NGr-Ti
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x準(zhǔn)三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)，其豐富的界面特征、優(yōu)異的導(dǎo)電性和局域彈性復(fù)合物協(xié)同促進了能量收集器的壓電輸出。將該裝置放置在道路上可用于收集汽車運動振動產(chǎn)生的機械能并將其轉(zhuǎn)換為電能，這為解決新出現(xiàn)的能源問題開辟了新的發(fā)展可能性。
圖1. （a） 氮摻雜石墨烯和（b）Ti
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x MXene合成工藝示意圖。
圖2. （a） 雙疊層壓電納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖。（b） FIB-SEM橫截面結(jié)構(gòu)的圖像。
圖3. （a，b）廣泛調(diào)查XPS光譜，確認NGr和MXene化合物中存在必需元素和官能團。（c，d）MXene的高分辨率Ti 2p和c 1s光譜，分別提供對其化學(xué)成分的詳細了解。（e，f）高分辨C 1s，N 1s作為NGr的一級雜原子摻雜元素。
圖4. 所制備的材料：Ti
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x MXene、NGr和雜化復(fù)合材料的拉曼光譜。
圖5. （a） Ti
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x-MXene的FESEM圖像。（b） Ti
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x MXene薄片的HRTEM橫截面圖像，插圖顯示MXene的d間距。（c） NGr薄片的TEM圖像。（d） NGr的HRTEM圖像，插圖顯示NGr的晶格間距。（e）NGr和（f）NGr-Ti
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x異質(zhì)結(jié)構(gòu)的橫截面FESEM圖像。
圖6. （a） X射線衍射（XRD）、紅外光譜（b）和β相含量分別為PVDF、PNGr、PMXene、PM1、PM2、PM3、PM4和PM5。
圖7. PEL樣品的FESEM表面圖像：（a）純PVDF和（b）PNGr，（c）PMXene和（d）PM2。
圖8. NGr-Ti
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x-MXene異質(zhì)結(jié)構(gòu)的室溫界面作用機理。（a） 自組裝NGr-Ti
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x準(zhǔn)三維納米非均勻排列示意圖。（b） PVDF和NSPG-Ti
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x分子間的相互作用改善了β相結(jié)晶。（c） 異質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖中的電荷轉(zhuǎn)移。（d） 異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的局部彈性效應(yīng)示意圖。
圖9.（a） V
oc，（b）I
sc和（c）P–P由于電磁閥力的影響，實現(xiàn)RD1、RD2、RD3、D1、D2、D3、D4和D5的Voc和Isc。（d） D2的正向和反向測量。
圖10.（a）V
oc、（b）I
sc和（c）P
d測量值在RT、70℃、80℃和90℃下對D2裝置的振動熱性能。
圖11.（a）RT和（b）90°C下的振動穩(wěn)定性。（c） 嘗試使用可控震源在高溫下點亮LED。
相關(guān)研究成果由馬來西亞國民大學(xué)Muhammad Aniq Shazni Mohammad Haniff和Poh Choon Ooi等人2024年發(fā)表在ACS Applied Electronic Materials (鏈接：https://doi.org/10.1021/acsaelm.4c00509)上。原文：Nitrogen-Doped Graphene-Ti3C2Tx Quasi-3D Heterostructures Interfacial Interaction for High-Temperature Vibrational Piezoelectric Energy Harvesting Application
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
