نانوژنراتورهای تریبوالکتریک مبتنی بر پلیمر
محورهای موضوعی : پلیمرها در انرژی و کاربردهای بهداشتی و محیطی
1 - دانشکده مهندسی شیمی، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران
کلید واژه: نانوژنراتور تریبوالکتریک, پلیمر, برداشت انرژی, حسگر زیستی,
چکیده مقاله :
فناوری نانوژنراتورهای تریبوالکتریک، انقلابی در تولید انرژی پاک و پایدار به وجود آورده است. این دستگاه‌های پیشرفته، با استفاده از اثر تریبوالکتریک، انرژی مکانیکی را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند و کاربردهای متنوعی در دنیای فناوری دارند. اکثر مواد تماسی نانوژنراتورهای تریبوالکتریک از پلیمرها تشکیل شده‌اند که می‌توانند دارای منشأ مصنوعی یا طبیعی باشند. به طور کلی، پلیمرها، به دلیل خصوصیات منحصر به فردی چون وزن سبک، فرایند پذیری و شکل‌دهی آسان، مقاومت و سختی مناسب و خواص سطحی و ضد میکروبی قابل تنظیم، به عنوان ماده اصلی در ساخت این ژنراتورها مورد استفاده قرار می‌گیرند. در این مقاله، به بررسی ساختار، عملکرد و مزایای نانوژنراتورهای تریبوالکتریک مبتنی بر پلیمر پرداخته می‌شود. همچنین، نقش خصوصیات مختلف پلیمرها بر عملکرد این ژنراتورها مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در نهایت، چالش‌ها و مسائل کلیدی موجود در مسیر توسعه و کاربرد این تکنولوژی در صنعت و کاربردهای عملی، به خصوص در زمینه‌هایی نظیر سیستم‌های برداشت انرژی، حسگرها و دستگاه‌های الکترونیکی پوشیدنی، به طور جامع مورد بررسی قرار خواهد گرفت. نتایج این کار بر اهمیت و ظرفیت بالای نانوژنراتورهای تریبوالکتریک مبتنی بر پلیمر در ایجاد راهکارهای نوین جهت رفع چالش‌های انرژی تاکید خواهد داشت و افق‌هایی برای پژوهشهای پیش رو در این حوزه ترسیم خواهد نمود.
Triboelectric nanogenerator technology has invented new ways to collect ambient mechanical energy with high efficiencies and hence revolutionized clean sustainable energy production. These advanced devices can convert mechanical energy into electricity using the triboelectric phenomena. Triboelectric nanogenerators can be applied in numerous technological fields due to the diversity of applications illustrating its general utility for energy harvesting and self-powered systems. The contact materials used in triboelectric nanogenerators are primarily composed of polymers that can be of synthetic or natural origin. In general, polymers are the main material in the fabrication of Triboelectric nanogenerators due to their unique properties such as being lightweight, easy processability, suitable strength and hardness, and tunable surface and antimicrobial properties. This paper investigates the structure, performance, and advantages of polymer-based triboelectric nanogenerators. Also, the role of different polymer properties on the performance of these generators is analyzed. Finally, the challenges and key issues in developing and applying Triboelectric nanogenerator technology in industry and practical applications, especially in energy harvesting systems, sensors, and wearable electronic devices, will be thoroughly examined. This work highlights the significance and potential of polymer-based triboelectric nanogenerators in creating and developing new solutions to tackle global energy challenges. It also outlines a comprehensive overview of prospective research pathways to advance this promising field.
1. Zhu Q., Sun E., Zhao Z., Wu T., Meng S., Ma Z., Shoaib M., Ur Rehman H., Cao X., and Wang N., Biopolymer Materials in Triboelectric Nanogenerators: A Review, Polymers, 16, 1304, 2024.
2. Fan FR., Tian ZQ., and Lin Wang Z., Flexible Triboelectric Generator, Nano Energy, 1, 328–334, 2012.
3. Xie X., Zhang Y., Chen C., Chen X., Yao T., Peng M., Chen X., Nie B., Wen Z., and Sun X., Frequency-independent Self-Powered Sensing Based on Capacitive Impedance Matching Effect of Triboelectric Nanogenerator, Nano Energy, 65, 103984, 2019.
4. Shanbedi M., Ardebili H., and Alamgir K., Polymer-based Triboelectric Nanogenerators: Materials, Characterization, And Applications, Progress in Polymer Science, 144, 101723, 2023.
5. Wang Z.L., Triboelectric Nanogenerators as New Energy Technology for Self-powered Systems and As Active Mechanical and Chemical Sensors, ACS Nano, 7, 9533–9557, 2013.
6. Zhang Z., Zhang Q., Zhou Z., Wang J., Kuang H., Shen Q., and Yang H., High-power Triboelectric Nanogenerators by Using In-situ Carbon Dispersion Method for Energy Harvesting and Self-powered Wireless Control, Nano Energy, 101, 107561, 2022.
7. Chen M., Zhou Y., Lang J., Li L., and Zhang Y., Triboelectric Nanogenerator and Artificial Intelligence to Promote Precision Medicine for Cancer, Nano Energy, 92, 106783, 2022.
8. Sun H., Zhao Y., Jiao S., Wang C., Jia Y., Dai K., Zheng G., Liu C., Wan P., and Shen C., Environment Tolerant Conductive Nanocomposite Organ Hydrogels as Flexible Strain Sensors and Power Sources for Sustainable Electronics, Adv. Funct. Mater., 31, 2101696, 2021.
9. Cheng J., Ding W., Zi Y., Lu Y., Ji L., Liu F., Wu C., and Wang Z.L., Triboelectric Micro Plasma Powered by Mechanical Stimuli, Nat. Commun., 9, 3733, 2018.
10. Harnchana V., Van Ngoc H., He W., Rasheed A., Park H., and Amornkitbamrung V., Enhanced Power Output of a Triboelectric Nanogenerator Using Poly(dimethylsiloxane) Modified with Graphene Oxide and Sodium Dodecyl Sulfate, ACS Appl Mater Interfaces, 10, 25263, 2018.
11. Long Y., Chen Y., Liu Y., Chen G., Guo W., Kang X., Pu X., Hu W., and Wang Z.L., A Flexible Triboelectric Nanogenerator Based on a Super-Stretchable and Self-Healable Hydrogel as the Electrode, Nanoscale, 12, 12753, 2020.
12. Cui N., Gu L., Lei Y., Liu J., Qin Y., Ma X., Hao Y., and Wang Z. L., Dynamic Behavior of the Triboelectric Charges and Structural Optimization of the Friction Layer for a Triboelectric Nanogenerator, ACS Nano, 10, 6131, 2016.
13. Luo X., Zhu L., Wang C., Li J., Nie J., and Wang Z.L., A Flexible Multifunctional Triboelectric Nanogenerator based on Mxene/PVA Hydrogel, Adv. Funct. Mater., 31, 2104928, 2021.
14. Chen G., Xu L., Zhang P., Chen B., Wang G., Ji J., Pu X., and Wang Z.L., Seawater Degradable Triboelectric Nanogenerators for Blue Energy, Adv. Mater. Technol., 5, 2000455, 2020.
15. Liang S., Wang Y., Liu Q., Yuan T., and Yao C., The Recent Progress in Cellulose Paper-Based Triboelectric Nanogenerators, Adv. Sustain. Syst., 5, 2100034, 2021.
16. Li Y., Chen S., Yan H., Jiang H., Luo J., Zhang C., Pang Y., and Tan Y., Biodegradable, Transparent, and Antibacterial Alginate-based Triboelectric Nanogenerator for Energy Harvesting and Tactile Sensing, Chem. Eng. J., 468, 143572, 2023.
17. Kang M., Bin M.S., Kim Y., Kim B., Park B.J., Hyun I., Imani I.M., Choi B., and Kim S., Nature-Derived Highly Tribo-positive κ-Carrageenan-Agar Composite-based Fully Biodegradable Triboelectric Nanogenerators, Nano Energy,100, 107480, 2022.
18. Han Y., Han Y., Zhang X., Li L., Zhang C., Liu J., Lu G., Yu H.D., and Huang W., Fish Gelatin based Triboelectric Nanogenerator for Harvesting Biomechanical Energy and Self-Powered Sensing of Human Physiological Signals, ACS Appl. Mater. Interfaces, 12, 16442–16450, 2020.
19. Chen K., Li Y., Yang G., Hu S., Shi Z., and Yang G., Fabric-based TENG Woven with Bio-Fabricated Superhydrophobic Bacterial Cellulose Fiber for Energy Harvesting and Motion Detection, Adv. Funct. Mater., 33, 2304809, 2023.
20. Guan Q., Lin G., Gong Y., Wang J., Tan W., Bao D., Liu Y., You Z., Sun X., Wen Z., and Pan Y., Highly Efficient Self-Healable and Dual Responsive Hydrogel-based Deformable Triboelectric Nanogenerators for Wearable Electronics, J. Mater. Chem. A, 7,13948–13955, 2019.
21. Chen B., Tang W., Jiang T., Zhu L., Chen X., He C., Xu L., Guo H., Lin P., Li D., Shao J., and Wang Z.L., Three-Dimensional Ultra flexible Triboelectric Nanogenerator Made by 3D Printing, Nano Energy, 45, 380–389, 2018.
22. Wang S., He M., Weng B., Gan L., Zhao Y., Li N., and Xie Y., Stretchable and Wearable Triboelectric Nanogenerator Based on Kinesio Tape for Self-Powered Human Motion Sensing, Nanomaterials, 8, 657, 2018.
23. Sayam A., Rahman M.M., Sayem A.S.M., Ahmed A.T.M.F., and Alimuzzaman S., Carbon-Based Textile-Structured Triboelectric Nanogenerators for Smart Wearables, Adv. Energy Sustainability Res., 5, 2400127, 2024.
24. Nie S., Cai C., Lin X., Zhang C., Lu Y., Mo J., and Wang S., Chemically Functionalized Cellulose Nanofibrils for Improving Triboelectric Charge Density of a Triboelectric Nanogenerator, ACS Sustain. Chem. Eng., 8, 18678–18685, 2020.
25. Shi X., Wei Y., Yan R., Hu L., Zhi J., Tang B., Li Y., Yao Z., Shi C., and Yu H., Leaf Surface-Microstructure Inspired Fabrication of Fish Gelatin-Based Triboelectric Nanogenerator, Nano Energy, 109, 108231, 2023.
26. Wang T., Li S., Tao X., Yan Q., Wang X., Chen Y., Huang F., Li H., Chen X., and Bian Z., Fully Biodegradable Water-Soluble Triboelectric Nanogenerator for Human Physiological Monitoring, Nano Energy, 93, 106787, 2022.
27. Kim J., Lee J., Lee H., and Oh I., Stretchable and Self-Healable Catechol-Chitosan-Diatom Hydrogel for Triboelectric Generator and Self-Powered Tremor Sensor Targeting at Parkinson Disease, Nano Energy, 82, 105705, 2021.