Kredit:GIST (Gwangju Institute of Science and Technology)
De flesta av oss har känt chocken från statisk elektricitet genom att röra vid ett metallföremål efter att ha tagit på oss en tröja eller gått över en matta. Detta inträffar som ett resultat av laddningsuppbyggnad när två olika material (som vår kropp och tyget) kommer i kontakt med varandra.
År 2012 använde forskare från USA och Kina detta fenomen, känt som "triboelektrisk effekt", för att bygga en triboelektrisk nanogenerator (TENG) som omvandlar oanvänd mekanisk energi till användbar elektrisk energi. Deras enhet bestod av två triboelektriska polymerfilmer med metalliska elektroder, som, när de fördes samman och separerade, resulterade i laddningsseparation och utveckling av en elektrisk spänning som är tillräcklig för att driva små elektroniska enheter.
Ses som potentiella skördare för hållbar energi, har ansträngningar gjorts för att förbättra effektuttaget från TENG genom att injicera laddningar till ytan av triboelektriska filmer. Laddningsrekombination i elektroden och laddningsrepulsion på materialets yta hindrar dem från att uppnå höga ytladdningstätheter.
Mot denna bakgrund utvecklade ett team av forskare under ledning av professor Chanho Pak från Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) i Sydkorea, i en nyligen genomförd studie, ett laddningsinneslutningsskikt som hanterar överföringen av injicerade laddningar mellan den triboelektriska filmen och elektroden för att förbättra laddningstätheten på ytan av den triboelektriska filmen. Denna artikel publicerades i Small Methods .
"I utformningen av högpresterande TENG är det avgörande att transportera laddningen på ytan till ett djupt läge samtidigt som laddningsrekombinationen minskar", säger Prof. Pak. För att tillverka skikten använde forskarna elektrospunna mesoporösa kolsfärer tillsammans med skikt av polyvinylidenfluorid (PVDF) och nylon. Kolsfärerna, som fångar laddningar på ytan, arrangerades i stigande ordning efter deras specifika ytareor, vilket skapade ett gradientladdningsinneslutningsskikt. Som ett resultat av detta gradientarrangemang kunde de injicerade laddningarna driva mot elektroden men var instängda precis innan de nådde den. "Lagrena transporterar såväl som begränsar laddningarna", förklarar Prof. Pak.
Genom att transportera laddningarna bort från ytan förhindrar skikten att injicerade laddningar ackumuleras och stöter bort varandra på ytan av det triboelektriska materialet, vilket gör att det kan hålla mer laddning. Att begränsa laddningarna nära elektroderna förhindrar dessutom laddningsförlust på grund av rekombination, vilket resulterar i en triboelektrisk yta med högre laddningstäthet.
Med tillägget av laddningsbegränsande lager förbättrade forskarna utspänningen och strömmen från TENG med 40 respektive sju gånger. Dessutom, genom att kombinera en cylindrisk TENG och en elektromagnetisk generator, uppnådde de en dramatisk 1300-faldig förbättring av utströmmen.
"Med dessa lovande resultat kan TENGs en dag bli tillräckligt kraftfulla för att fungera som skördare av hållbar energi och som framtidens bärbara enheter", säger Prof. Pak. + Utforska vidare
