Sintesi priva di gas tossici di copolimero di zolfo e miscele polimeriche ricche di fluoro. (a) schema di sintesi della miscela polimerica mediante vulcanizzazione inversa. (b) Polimero ricco di fluoro migrato sulla superficie del film di miscela polimerica mediante energia termica, ottenendo elevate prestazioni triboelettriche. Credito:Università di Inha
Un nanogeneratore triboelettrico (TENG) è un dispositivo di raccolta di energia che converte l'energia meccanica in elettricità attraverso la separazione dei contatti o i movimenti di scorrimento relativo di due materiali tribopolari opposti. I ricercatori dell'Università di Inha hanno precedentemente riportato il primo esempio di TENG a base di polimeri di zolfo. La superficie del film di copolimero di zolfo è stata fluorurata direttamente utilizzando fluoro gas tossico per migliorare le prestazioni del TENG.
Lo zolfo e il fluoro hanno una maggiore affinità elettronica (EA) di –200 kJ/mol e –322 kJ/mol, rispettivamente, rispetto all'EA del carbonio (–122 kJ/mol). Il film di copolimero di zolfo fluorurato può ottenere un aumento di sei e tre volte di tensione e corrente rispetto al politetrafluoroetilene (PTFE), l'attuale materiale negativo convenzionale. Inoltre, lo zolfo elementare è un sottoprodotto della raffinazione del petrolio; pertanto, lo zolfo di elevata purezza è disponibile in commercio a basso costo. Tuttavia, per garantire la sicurezza operativa di questa tecnica nelle applicazioni industriali pratiche, è necessario progettare sistemi di trattamento dei rifiuti nonché metodi per il recupero del gas fluoro tossico.
Al fine di superare queste limitazioni, i ricercatori hanno recentemente riportato un percorso facile e tossico privo di fluoro gassoso per la sintesi di miscele polimeriche triboelettriche estremamente negative comprendenti un polimero ricco di fluoro (poli(pentafluoro stirene), PPFS) e una spina dorsale di zolfo a base di polimero. In questo metodo, le molecole di PPFS sono state separate in fase sull'interfaccia dell'aria tramite pressatura a caldo, il che ha portato a una raccolta di energia triboelettrica altamente efficiente. Nonostante il basso valore di carico (7,5% in peso) di PPFS, la sua copertura superficiale ha superato il 90% a causa della separazione di fase nel film di miscela indotta dall'elevata differenziazione delle energie superficiali tra il copolimero di zolfo e PPFS.
La localizzazione di notevoli quantità di fluoro sulle superfici del film ha conferito alle miscele polimeriche proprietà triboelettriche estremamente negative. Le prestazioni triboelettriche dei film in miscela polimerica nello studio erano significativamente superiori a quelle dei polimeri convenzionali a base di dorsale di carbonio. Il TENG a base di miscela polimerica ha presentato prestazioni stabili a lungo termine di ~ 26 ore e uscite di tensione e corrente migliorate rispettivamente di 8 volte e 9 volte superiori rispetto a quelle di un TENG a base di PTFE. Infine, i ricercatori hanno dimostrato la capacità di un TENG basato su pellicola da 4 pollici di alimentare 400 LED blu collegati in serie da 3,3 V mediante la pellicola di miscela polimerica con una tensione triboelettrica a circuito aperto di ~1360 V.
Attraverso questo lavoro, la strategia di separazione di fase dei polimeri ricchi di fluoro dai polimeri di zolfo fornirà spunti per la ricerca sia nel mondo accademico che nell'industria per ottenere una raccolta di energia triboelettrica scalabile, a basso costo, ecologica e ad alte prestazioni.
La ricerca è stata pubblicata su Nano Energy . + Esplora ulteriormente
