纳米|用于自供电传感器和可穿戴电子设备的织物辅助 MXene/硅纳米复合材料摩擦纳米发电机( 四 )

首先，我们使用新提出的不同织物纹理研究了 TENG 的电输出性能，用于图案化具有 MXene 层的 MXene/硅胶纳米复合材料的微结构。 MXene/硅胶纳米复合材料的表面粗糙有两个原因：首先，在人体皮肤和导电织物之间产生空气间隙，以便 TENG 更好地运行；其次，增加与人体皮肤的接触面积以及以提高输出性能。使用电动振动器并用振幅和受控频率表征微结构表面粗糙度、MXene/硅胶纳米复合材料和具有 TENG 的 Mxene/硅胶复合材料的 MXene 层的电输出性能（图 S8 ，支持信息）。 LXG-1、BTL-1、ZZB2、SCN003、SCN001 和 SCN008 织物的 FESEM 图像如图 S9（支持信息）所示。根据图 2de ，我们可以看到 SCN001 织物纹理在 MXene/硅胶纳米复合材料表面形成了独特的微观结构，在所考虑的织物纹理（LXG-1、BTL-1、ZZB2）中显示出最高的输出电压和电流性能、SCN003 和 SCN008）。这些结果显示出明显优于先前报道的 TENG 表面粗糙度的性能。此外，我们发现织物辅助的有效微结构表面粗糙度区域与人体皮肤之间的气隙在 TENG 的输出性能中起着至关重要的作用。具有 MXene 涂层的 MXene/硅胶纳米复合材料的粗糙表面提供了与摩擦电荷特性相关的相对显着的特性，可以使用织物辅助微结构实现 TENG 的高输出性能。此外，我们研究了在 6 N 的力和 4 Hz 的频率下，由织物粗糙表面的有机硅中不同 MXene 浓度比的 TENG 电荷密度结果（图 2f）。 TENG 的电荷密度增加到 MXene 浓度的 6% wt 和 MXene 浓度的 12% wt 以上，显示出饱和特性，导致电荷密度略有下降，这可能是由 MXene 的聚集引起的。我们发现最大电荷密度是优化的 6 wt% MXene 浓度的最大电荷密度。这些结果与表面电位测量的分析非常一致。此外，我们研究了 TENG 的电输出性能，以验证具有 MXene 涂层的 MXene/硅胶纳米复合材料的表面电位测量结果。
图 2g 显示了不同 MXene 浓度下 TENG 中电荷密度的变化，证实在 MXene 含量为 3 mg cm-2 时，最大电荷密度为 980 μC m-2 。该实验结果优于先前报道的 TENG 研究结果。 [45 46 49-51
MXene 涂层大大增强了 TENG 的电荷密度， MXene 提供了感应电荷的密度。图 2hi 显示了不同 MXene 含量的 TENG 输出电压和峰值电流密度的变化。我们发现最大峰峰值输出电压（约 1.47 kV）和峰值电流密度（200 mA m-2）是 MXene 含量为 3 mg cm-2 的那些。这些结果表明，优化后的 MXene 层具有较高的电荷俘获能力并消除了 TENG 的电荷损失；导致更高的 TENG 电输出性能。图 S10（支持信息）显示了电荷俘获机制的示意图并取决于 MXene 层的厚度。
为了进一步优化，研究了使用织物和砂纸辅助的具有 MXene 涂层的 MXene/硅胶纳米复合微结构时所施加的力和频率对 TENG 输出性能的影响。当施加的力从 1 N 增加到 6 N 时， DSC-TENG 输出电压和峰值电流密度逐渐增加（图 3a 和图 S11 ，支持信息）。然后，力从 6 N 增加到 16 N ，在最佳应用频率下性能几乎没有变化。这可能是由于 6 N 的施加力提供了 MXene/硅胶纳米复合材料粗糙表面和尼龙涂层导电织物之间的最大接触。研究了不同频率下 TENG 中峰值电流密度和电压的变化（图 3b 和图 S12 ，支持信息）。我们发现 TENG 的最大峰值电流密度和电压性能发生在 4 Hz 的频率下，施加的力为 6 N 。当施加的频率从 1 Hz 增加到 7 Hz 时，我们发现基于双侧接触的 TENG 的最大峰值电流密度和电压性能发生在 4 Hz 的最佳频率下，在 6 N 的力下，由于累积MXene/硅胶纳米复合材料粗糙表面上的电荷。然后，施加的频率从 4 Hz 增加到 7 Hz ，性能几乎饱和，因为随着时间的推移，累积的电荷无法完全中和。由于力和频率的变化，我们发现织物辅助微结构在 TENG 输出性能中起着重要作用，与砂纸辅助微结构相比，输出性能最高。