طراحي و ساخت نانوژنراتور تريبوالكتريك بر پايه نانومواد دو بعدي MoS2

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

با توجه به پيشرفت¬هاي اخير صنعت الكترونيك، يكي از مهم¬ترين چالش¬هايي كه بشر با آن روبه¬رو شده، تأمين انرژي مورد نياز با روش¬هاي سازگار با محيط زيست است. روش¬هاي جديد فراواني براي جايگزيني روش¬هاي سنتي تأمين انرژي پيشنهاد شده است. در اين ميان، برداشت انرژي تلف شده محيط اطراف توسط نانوژنراتورهاي تريبوالكتريك روشي به صرفه و مناسب به نظر مي¬رسد. اين نانوژنراتورها براي توليد انرژي در مقياس نانو و ميكرو، حسگر خودران، انرژي آبي و توليد انرژي در مقياس بزرگ كاربرد دارد. در كنار تمام مزيت¬هاي نانوژنراتور تريبوالكتريك، اين فناوري جديد با مشكلاتي همچون توان پايين، سايش لايه¬هاي تريبوالكتريك، دوام كم، تركيب بارها، ناپايداري، محافظت از لايه¬ها و مشكلات توليد صنعتي روبه‌رو است. براي حل اين مشكلات تلاش¬هاي زيادي انجام شده است. در اين بين، استفاده از نانوذرات دو بعدي همچون گرافن و موليبدن دي¬سولفيد مي¬تواند با توجه به نسبت سطح به حجم بالا و اثرات محدوديت كوانتمي باعث قابليت ذخيره بار حاصل از القاي الكترواستاتيك بر روي نانوذرات دو بعدي شود و خروجي نانوژنراتور را تا چند برابر افرايش دهد. تحقيقات نشان مي¬دهد كه عيوب ساختاري نانوصفحات موليبدن دي¬سولفيد باعث گير انداختن الكترون مي¬شود كه از اين قابليت مي¬توان براي جلوگيري از هدر رفتن بار در نانوژنراتورها استفاده كرد. در پژوهش پيش¬رو، نانوصفحات دوبعدي موليبدن دي¬سولفيد از طريق روش لايه-برداري فاز مايع با استفاده از حمام آلتراسونيك و پروب آلتراسونيك توليد شد و نانوصفحات دو بعدي حاصل داراي ابعاد حدود 100 نانومتر و گاف انرژي 72/1 الكترون ولت بود. لايه¬نشاني¬ها براي توليد نانوژنراتور از طريق پوششدهي چرخشي انجام شد. ضخامت لايه¬هاي نانوژنراتور بهينه¬سازي شد و نانوژنراتور بهينه داراي لايه منفي دوگانه از جنس كامپوزيت پلي¬استايرن و MoS2 با درصد وزني 002/0 درصد و لايه پلي¬استايرن بود كه لايه پليمري به عنوان لايه تماسي و لايه كامپوزيتي به عنوان لايه جاذب الكترون كاربرد داشت. ضخامت بهينه براي اين دو لايه به ترتيب 25 و 35 ميكرومتر بود. در سمت مثبت نانوژنراتور از صمغ دانه گياه قدومه استفاده شد و غلظت اين لايه مثبت بهينه-سازي شد. استفاده هم¬زمان از پليمر طبيعي و پلي¬استايرن خودترميم شونده باعث شد كه زماني كه پس از 10000 سيكل تماس-جدايش خروجي نانوژنراتور به 25/62% مقدار اوليه برسد، امكان بازگشت خروجي به 77/987 ولت وجود داشته باشد. دليل اين افزايش در خروجي بسته شدن ترك¬هاي سطح پليمر پس از فرايند ترميم خودبه¬خود بود. نانوژنراتور حاصل تحت شرايط بهينه 8 نيوتون و فركانس 5/4 هرتز داراي ولتاژ مدار باز 1205 ولت و جريان 74/0 ميلي آمپر بود. به علاوه توان اين نانوژنراتور 27/11 ميلي وات بود. مطابق انتظارات اين نانوژنراتور توانايي روشن كردن 115 لامپ LED را داشت و توانست به راحتي در زمان 20 ثانيه يك خازن 1 ميكروفاراد را شارژ كند. در ادامه تحقيق شبيه¬سازي نانوژنراتور تريبوالكتريك در دو حالت مدارباز و بسته انجام شد و نتايج با نتايج عملي مقايسه شد. براي نشان دادن كاربرد وسيع نانوژنراتورها در اين پژوهش از نانوژنراتور ساخته شده براي اولين بار با هدف اتصال نانوميله¬هاي نقره استفاده شد. نانوميله¬هاي نقره با استفاده از پلي وينيل پيروليدون، اتيلن گليكول و آهن (III) كلريد شش آبه و نقره نيترات سنتز شد و با استفاده از يك سيستم طراحي شده براي متصل كردن دو الكترود به نانوژنراتور فرايند اتصال نانوميله¬ها انجام شد.

220619

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان