DOI: https://doi.org/10.1039/d5ma00283d
تاريخ النشر: 2025-01-01
المؤلف: Anjaly Babu وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد الاستشعار المتقدمة وجمع الطاقة
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تحسين أداء مولد الطاقة الكهروستاتيكية (TENG) من خلال تفعيل الأطر العضوية المعدنية (MOFs)، وتحديداً MIL-125(Ti). من خلال دمج مجموعات مانحة للإلكترونات (NH₂) ومجموعات سحب الإلكترونات (NO₂) في مصفوفة سيليكون، تُظهر الدراسة أن فيلم المركب MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone يحقق جهدًا أقصى قدره 512 فولت، و تيارًا قدره 130 مللي أمبير، وكثافة طاقة قدرها 6.75 واط/م²، وهو ما يعادل ضعف كثافة الطاقة لمولد TENG قائم على السيليكون النقي. يُعزى الأداء المحسن إلى التغيرات في الثابت العازل، ودالة العمل، وضبط فجوة الطاقة للمواد المركبة بسبب التفعيل.
بالإضافة إلى ذلك، تقدم الدراسة تطبيقًا جديدًا لمولد TENG المُفعل في نظام تنبيه ذكي للصحة، والذي يتتبع استخدام دورات المياه من خلال اكتشاف حركات الأبواب. يولد هذا النظام بيانات في الوقت الحقيقي لإخطار موظفي التنظيف، مما يعزز بيئة أنظف وأكثر صحة. بشكل عام، تؤكد النتائج على إمكانيات مولدات TENG القائمة على MIL-125(Ti) المُفعلة لجمع الطاقة بكفاءة وحلول مبتكرة لمراقبة الصحة.
مقدمة
في السنوات الأخيرة، اكتسبت مولدات الطاقة الكهروستاتيكية (TENGs) اهتمامًا كمصدر طاقة مستدام للتطبيقات في إنترنت الأشياء (IoT) والأجهزة الإلكترونية ذاتية الطاقة. تعمل مولدات TENG على مبادئ الكهرباء الناتجة عن الاتصال والتحريض الكهروستاتيكي لتحويل الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية. ومع ذلك، فإن كثافة الطاقة الناتجة المنخفضة نسبيًا تمثل تحديات للتطبيقات العملية. لتعزيز الأداء، تم استكشاف استراتيجيات مختلفة، بما في ذلك استخدام تعديلات السطح، والمواد العازلة العالية، ودمج الأطر العضوية المعدنية (MOFs) كمواد مالئة وظيفية في مصفوفات البوليمر. تُعرف الأطر العضوية المعدنية بخصائصها القابلة للتعديل واستقرارها، ويمكن أن تحسن بشكل كبير من قدرات تحفيز الشحن وحبس الشحن لمولدات TENG.
أظهرت الدراسات الحديثة فعالية MOFs المُفعلة في تعزيز أداء TENG. على سبيل المثال، أدى دمج MOFs المفلورة في مركبات البوليمر إلى زيادات كبيرة في كثافة الطاقة، حيث أفادت إحدى الدراسات بكثافة طاقة تبلغ حوالي 52 مللي واط سم⁻²، وهو ما يزيد بشكل كبير عن كثافة الطاقة للبوليمرات النقية. بالإضافة إلى ذلك، أظهر إدخال مجموعات وظيفية محددة، مثل مجموعات الأمين والنيترو، تحسين خصائص السطح وآليات نقل الشحن للمواد المركبة. تركز الأبحاث الحالية على مواد MIL-125(Ti) المُفعلة، مستكشفة العلاقة بين المجموعات الوظيفية وأداء خرج TENG. تشير النتائج إلى أن ضبط فجوة الطاقة من خلال المجموعات الوظيفية يمكن أن يعدل بشكل فعال نقل الشحن، مما يؤدي إلى تحسين مخرجات TENG. ومن الجدير بالذكر أن المركب MIL-125(Ti)-NH₂@silicone حقق كثافة طاقة قصوى قدرها 6.75 واط م⁻²، مما يُظهر إمكانيته للتطبيقات العملية، بما في ذلك مستشعر باب قائم على TENG لمراقبة استخدام دورات المياه في الوقت الحقيقي.
طرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون الطرق التجريبية المستخدمة لتخليق الأطر العضوية المعدنية (MOFs) وتقييم أدائها في أجهزة مولد الطاقة الكهروستاتيكية (TENG). شمل تخليق MIL-125(Ti) ومتغيراته المُفعلة (MIL-125(Ti)-NH₂ و MIL-125(Ti)-NO₂) استخدام مواد سابقة ومذيبات محددة، مع التركيز على الحفاظ على ظروف دقيقة في أوتوكلاف مبطن بتفلون. تم تصنيف المواد الناتجة من حيث خصائصها الكهروستاتيكية، حيث أظهرت MIL-125(Ti)-NH₂ أعلى أداء خرج، حيث حققت جهد دائرة مفتوحة ($V_{oc}$) يبلغ حوالي 512 فولت و تيار دائرة قصيرة ($I_{sc}$) قدره 130 مللي أمبير عند اقترانها بالألمنيوم.
استكشفت الدراسة أيضًا تأثير تركيز MOF والتفعيل على أداء TENG. تم تحديد التركيز الأمثل لـ MIL-125(Ti)-NH₂ في مصفوفة السيليكون ليكون 1.5% (وزن/وزن)، مما يوفر خرجًا كهربائيًا متفوقًا بسبب تحسين الخصائص العازلة وخشونة السطح. أثر إدخال المجموعات الوظيفية بشكل كبير على دالة العمل وقدرات توليد الشحن، حيث أدى تفعيل الأمين إلى زيادة ملحوظة في $I_{sc}$ مقارنةً بالمتغيرات غير المُفعلة. بالإضافة إلى ذلك، أجرى المؤلفون اختبارات تغيير القطبية لتأكيد أن الإشارات الكهربائية الملحوظة كانت جوهرية لجهاز TENG، مما يثبت فعالية المواد المُصنعة في تعزيز تطبيقات جمع الطاقة.
نتائج
تكشف نتائج الدراسة أن أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) لـ MIL-125(Ti) ومشتقاته الوظيفية، التي تم إعدادها عبر طرق هيدروحرارية، تظهر بلورية عالية، مع قمم حيود رئيسية تتوافق مع التقارير السابقة. لا تؤثر التفعيل مع مجموعات الأمين (-NH₂) والنيترو (-NO₂) على الهيكل البلوري لـ MIL-125(Ti)، كما يتضح من استقرار قمم الحيود البارزة. تؤكد مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FT-IR) وجود المجموعات الوظيفية، مع قمم محددة تتوافق مع تمدد O-H، اهتزازات الأمين، وتمدد C-N، مما يُظهر دمجًا ناجحًا للمجموعات الوظيفية دون حدوث اضطراب هيكلي كبير.
تشير الخصائص البصرية التي تم تقييمها من خلال مطيافية الانعكاس المنتشر UV-vis إلى انزياح أحمر في نطاق الامتصاص لـ MIL-125(Ti)-NH₂، ممتدًا إلى النطاق المرئي (حتى 550 نانومتر)، ويعزى ذلك إلى تأثيرات نقل الشحن من الليجند إلى المعدن. تقل الفجوات البصرية المحسوبة من 3.6 إلكترون فولت لـ MIL-125(Ti) إلى 2.58 إلكترون فولت لـ MIL-125(Ti)-NH₂، مما يبرز تأثير التفعيل على الهيكل الإلكتروني. تكشف صور المجهر الإلكتروني الماسح (FESEM) أنه بينما تظهر MIL-125(Ti) و MIL-125(Ti)-NO₂ شكلًا يشبه اللوح بحجم يتراوح حول 1-2 ميكرومتر، تُظهر MIL-125(Ti)-NH₂ حجم جزيئات مخفضًا يتراوح بين 200-500 نانومتر، على الأرجح بسبب تغيرات في بيئات التنسيق. بالإضافة إلى ذلك، يحافظ دمج مشتقات MIL-125 في مركبات السيليكون على بلورية MOFs مع تقليل فجوة الطاقة لأفلام المركب بشكل كبير، مما يشير إلى إمكانية تحسين الخصائص البصرية في التطبيقات العملية.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد وتصنيف أفلام MIL-125(Ti)-X@silicone، حيث تمثل X المجموعات الوظيفية (NH₂ و NO₂). تم إنشاء الأفلام عن طريق خلط مواد MIL-125(Ti) مع مطاط السيليكون وعامل حفاز، تلا ذلك التجفيف. تم استخدام الأفلام المرنة الناتجة لتصنيع جهاز مولد الطاقة الكهروستاتيكية (TENG)، الذي أظهر خرجًا كهربائيًا كبيرًا. تم تصنيف أداء TENG من خلال قياس جهد الخرج والتيار عبر مقاومات تحميل متغيرة، مما يكشف أن جهاز MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone حقق كثافة طاقة قصوى قدرها 6.75 واط/م²، وهو أكثر من ضعف كثافة الطاقة لمولد TENG القائم على السيليكون النقي.
تؤكد الدراسة أيضًا على الاستقرار طويل الأمد لجهاز MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone TENG، الذي حافظ على استجابات جهد ثابتة على مدار 10,000 دورة. علاوة على ذلك، تم استخدام الجهاز بنجاح لتشغيل الأجهزة الإلكترونية ذات الطاقة المنخفضة، مما يبرز تطبيقاته العملية. يقترح المؤلفون مستشعر باب قائم على TENG لمراقبة صحة دورات المياه العامة، والذي ينبه موظفي التنظيف بناءً على استخدام الأبواب، مما يعزز بيئة أنظف. يبرز هذا النهج المبتكر إمكانيات تكنولوجيا TENG في تعزيز الصحة العامة من خلال تحسين إدارة الصحة.
DOI: https://doi.org/10.1039/d5ma00283d
Publication Date: 2025-01-01
Author(s): Anjaly Babu et al.
Primary Topic: Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials
Overview
This research investigates the enhancement of triboelectric nanogenerator (TENG) performance through the functionalization of metal-organic frameworks (MOFs), specifically MIL-125(Ti). By incorporating electron-donating (NH₂) and electron-withdrawing (NO₂) groups into a silicone matrix, the study demonstrates that the MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone composite film achieves a maximum voltage of 512 V, a current of 130 mA, and a power density of 6.75 W/m², which is double that of a pure silicone-based TENG. The improved performance is attributed to changes in the dielectric constant, work function, and band gap tuning of the composite materials due to functionalization.
Additionally, the research presents a novel application of the functionalized TENG in a smart alert hygiene system, which tracks washroom usage by detecting door movements. This system generates real-time data to notify cleaning staff, thereby promoting a cleaner and more hygienic environment. Overall, the findings underscore the potential of functionalized MIL-125(Ti)-based TENGs for efficient energy harvesting and innovative hygiene monitoring solutions.
Introduction
In recent years, triboelectric nanogenerators (TENGs) have gained attention as a sustainable energy source for applications in the Internet of Things (IoT) and self-powered electronic devices. TENGs operate on the principles of contact electrification and electrostatic induction to convert mechanical energy into electrical energy. However, their relatively low output power density poses challenges for practical applications. To enhance performance, various strategies have been explored, including the use of surface modifications, high dielectric materials, and the incorporation of metal-organic frameworks (MOFs) as functional fillers in polymer matrices. MOFs, known for their tunable properties and stability, can significantly improve the charge-inducing and charge-trapping capabilities of TENGs.
Recent studies have demonstrated the effectiveness of functionalized MOFs in enhancing TENG performance. For instance, integrating fluorinated MOFs into polymer composites has led to substantial increases in power density, with one study reporting a power density of approximately 52 mW cm⁻², significantly higher than that of pure polymers. Additionally, the introduction of specific functional groups, such as amine and nitro groups, has been shown to optimize the surface properties and charge transfer mechanisms of the composite materials. The current research focuses on functionalized MIL-125(Ti) materials, exploring the relationship between functional groups and TENG output performance. The findings indicate that bandgap tuning through functional groups can effectively modulate charge transfer, leading to improved TENG outputs. Notably, the MIL-125(Ti)-NH₂@silicone composite achieved a peak power density of 6.75 W m⁻², demonstrating its potential for practical applications, including a novel TENG-based door sensor for real-time monitoring of washroom usage.
Methods
In this section, the authors detail the experimental methods used to synthesize metal-organic frameworks (MOFs) and evaluate their performance in triboelectric nanogenerator (TENG) devices. The synthesis of MIL-125(Ti) and its functionalized variants (MIL-125(Ti)-NH₂ and MIL-125(Ti)-NO₂) involved the use of specific precursors and solvents, with a focus on maintaining precise conditions in a Teflon-lined autoclave. The resulting materials were characterized for their triboelectric properties, revealing that MIL-125(Ti)-NH₂ exhibited the highest output performance, achieving a maximum open-circuit voltage ($V_{oc}$) of approximately 512 V and a short-circuit current ($I_{sc}$) of 130 mA when paired with aluminum.
The study further explored the influence of MOF concentration and functionalization on TENG performance. The optimal concentration of MIL-125(Ti)-NH₂ in the silicone matrix was determined to be 1.5% (w/w), which provided superior electrical output due to enhanced dielectric properties and surface roughness. The introduction of functional groups significantly affected the work function and charge generation capabilities, with the amine functionalization leading to a notable increase in $I_{sc}$ compared to unfunctionalized variants. Additionally, the authors conducted switching polarity tests to confirm that the observed electrical signals were intrinsic to the TENG device, thereby validating the effectiveness of the synthesized materials in enhancing energy harvesting applications.
Results
The results of the study reveal that the X-ray diffraction (XRD) patterns of MIL-125(Ti) and its functional derivatives, prepared via hydrothermal methods, exhibit high crystallinity, with key diffraction peaks consistent with prior reports. Functionalization with amine (-NH₂) and nitro (-NO₂) groups does not alter the crystal structure of MIL-125(Ti), as indicated by the stability of the prominent diffraction peaks. Fourier-transform infrared (FT-IR) spectroscopy confirms the presence of functional groups, with specific peaks corresponding to O-H stretching, amine vibrations, and C-N stretching, demonstrating successful incorporation of the functional groups without significant structural disruption.
Optical properties assessed through UV-vis diffuse reflectance spectroscopy indicate a redshift in the absorption band of MIL-125(Ti)-NH₂, extending into the visible range (up to 550 nm), attributed to ligand-to-metal charge transfer effects. The calculated optical band gaps decrease from 3.6 eV for MIL-125(Ti) to 2.58 eV for MIL-125(Ti)-NH₂, highlighting the impact of functionalization on the electronic structure. Scanning electron microscopy (FESEM) images reveal that while MIL-125(Ti) and MIL-125(Ti)-NO₂ exhibit a tablet-like morphology with sizes around 1-2 µm, MIL-125(Ti)-NH₂ shows a reduced particle size of 200-500 nm, likely due to altered coordination environments. Additionally, the incorporation of MIL-125 derivatives into silicone composites maintains the crystallinity of the MOFs while reducing the band gap of the composite films significantly, indicating potential for enhanced optical properties in practical applications.
Discussion
In this section, the authors detail the preparation and characterization of MIL-125(Ti)-X@silicone films, where X represents functional groups (NH₂ and NO₂). The films were created by mixing the MIL-125(Ti) materials with silicone elastomers and a catalyst, followed by drying. The resulting flexible films were used to fabricate a triboelectric nanogenerator (TENG) device, which demonstrated significant electrical output. The TENG’s performance was characterized by measuring the output voltage and current across varying load resistances, revealing that the MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone device achieved a peak power density of 6.75 W/m², more than double that of the pure silicone-based TENG.
The study also emphasizes the long-term stability of the MIL-125(Ti)-NH₂ @silicone TENG, which maintained consistent voltage responses over 10,000 cycles. Furthermore, the device was successfully utilized to power low-energy electronic devices, showcasing its practical applications. The authors propose a TENG-based door sensor for public washroom hygiene monitoring, which alerts cleaning personnel based on door usage, thereby promoting a cleaner environment. This innovative approach highlights the potential of TENG technology in enhancing public health through improved hygiene management.