​马来西亚国民大学–氮掺杂石墨烯-Ti3C2Tx准三维异质结构界面相互作用在高温振动压电能量收集中的应用

压电纳米发电机（PENG）由于其高温敏感性，在集成到高温应用中时面临挑战。特定二维纳米材料的异质结构有可能提高PENG在高温下的实际应用性能。因此，本研究将氮掺杂石墨烯（NGr）和Ti₃C₂T_x-MXene异质结构纳米填料引入聚偏二氟乙烯（PVDF）基体中，在高温振动环境中进行能量收集。通过优化NGr-Ti₃C₂T_x的适宜配比，实现了可重复稳定的全溶液制备。在室温下，纳米发电机的最佳输出电压为9.0 V，电流为1.5μA。因此，当温度升高到90°C时，它增加到24.0 V和1.75μA，获得3.85μW/cm²的功率密度。这种优异的性能归功于所设计的NGr-Ti₃C₂T_x准三维异质结构，其丰富的界面特征、优异的导电性和局域弹性复合物协同促进了能量收集器的压电输出。将该装置放置在道路上可用于收集汽车运动振动产生的机械能并将其转换为电能，这为解决新出现的能源问题开辟了新的发展可能性。

图1. （a） 氮掺杂石墨烯和（b）Ti₃C₂T_x MXene合成工艺示意图。

图2. （a） 双叠层压电纳米发电机结构示意图。（b） FIB-SEM横截面结构的图像。

图3. （a，b）广泛调查XPS光谱，确认NGr和MXene化合物中存在必需元素和官能团。（c，d）MXene的高分辨率Ti 2p和c 1s光谱，分别提供对其化学成分的详细了解。（e，f）高分辨C 1s，N 1s作为NGr的一级杂原子掺杂元素。

图4. 所制备的材料：Ti₃C₂T_x MXene、NGr和杂化复合材料的拉曼光谱。

图5. （a） Ti₃C₂T_x-MXene的FESEM图像。（b） Ti₃C₂T_x MXene薄片的HRTEM横截面图像，插图显示MXene的d间距。（c） NGr薄片的TEM图像。（d） NGr的HRTEM图像，插图显示NGr的晶格间距。（e）NGr和（f）NGr-Ti₃C₂T_x异质结构的横截面FESEM图像。

图6.（a） X射线衍射（XRD）、红外光谱（b）和β相含量分别为PVDF、PNGr、PMXene、PM1、PM2、PM3、PM4和PM5。

图7.PEL样品的FESEM表面图像：（a）纯PVDF和（b）PNGr，（c）PMXene和（d）PM2。

图8. NGr-Ti₃C₂T_x-MXene异质结构的室温界面作用机理。（a） 自组装NGr-Ti₃C₂T_x准三维纳米非均匀排列示意图。（b） PVDF和NSPG-Ti₃C₂T_x分子间的相互作用改善了β相结晶。（c） 异质结构示意图中的电荷转移。（d） 异质结构中的局部弹性效应示意图。

图9.（a） V_oc，（b）I_sc和（c）P–P由于电磁阀力的影响，实现RD1、RD2、RD3、D1、D2、D3、D4和D5的Voc和Isc。（d） D2的正向和反向测量。

图10.（a）V_oc、（b）I_sc和（c）P_d测量值在RT、70℃、80℃和90℃下对D2装置的振动热性能。

图11.（a）RT和（b）90°C下的振动稳定性。（c） 尝试使用可控震源在高温下点亮LED。

相关研究成果由马来西亚国民大学Muhammad Aniq Shazni Mohammad Haniff和Poh Choon Ooi等人2024年发表在ACS Applied Electronic Materials (链接：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