壓電納米發電機（PENG）由于其高溫敏感性，在集成到高溫應用中時面臨挑戰。特定二維納米材料的異質結構有可能提高PENG在高溫下的實際應用性能。因此，本研究將氮摻雜石墨烯（NGr）和Ti
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x-MXene異質結構納米填料引入聚偏二氟乙烯（PVDF）基體中，在高溫振動環境中進行能量收集。通過優化NGr-Ti
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x的適宜配比，實現了可重復穩定的全溶液制備。在室溫下，納米發電機的最佳輸出電壓為9.0 V，電流為1.5μA。因此，當溫度升高到90°C時，它增加到24.0 V和1.75μA，獲得3.85μW/cm
2的功率密度。這種優異的性能歸功于所設計的NGr-Ti
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x準三維異質結構，其豐富的界面特征、優異的導電性和局域彈性復合物協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生的機械能并將其轉換為電能，這為解決新出現的能源問題開辟了新的發展可能性。
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） 雙疊層壓電納米發電機結構示意圖。（b） FIB-SEM橫截面結構的圖像。
圖3. （a，b）廣泛調查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異質結構的橫截面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異質結構的室溫界面作用機理。（a） 自組裝NGr-Ti
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x準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相結晶。（c） 異質結構示意圖中的電荷轉移。（d） 異質結構中的局部彈性效應示意圖。
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下的振動穩定性。（c） 嘗試使用可控震源在高溫下點亮LED。
相關研究成果由馬來西亞國民大學Muhammad Aniq Shazni Mohammad Haniff和Poh Choon Ooi等人2024年發表在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
轉自《石墨烯研究》公眾號
