Science >> Wetenschap >  >> nanotechnologie

Een methode om lange rollen subnanocomposiet diëlektrische polymeren te vervaardigen

Apparatuur voor het gieten van roll-to-roll-oplossingen. Krediet:Yang et al.

Ingenieurs en materiaalwetenschappers hebben geprobeerd steeds geavanceerdere apparaten te ontwikkelen om aan de groeiende behoeften van de elektronica-industrie te voldoen. Deze apparaten omvatten elektrostatische condensatoren, apparaten die elektrische energie kunnen opslaan in een diëlektricum tussen een paar elektroden door de accumulatie van elektrische lading op de diëlektrische oppervlakken.



Deze condensatoren zijn cruciale componenten van verschillende technologieën, waaronder elektrische voertuigen en fotovoltaïsche zonne-energie (PV's). Ze worden vaak vervaardigd met behulp van polymeren als diëlektrische materialen, synthetische stoffen die bestaan ​​uit grote organische moleculen met goede intrinsieke flexibiliteit en isolerende eigenschappen.

Onderzoekers van de Tsinghua Universiteit en andere instituten in China hebben onlangs een nieuwe strategie geïntroduceerd om polymeercomposieten te vervaardigen gevuld met subnanoplaten die zeer voordelige eigenschappen vertonen. Hun voorgestelde methode, uiteengezet in een Natuurenergie papier, stelde hen in staat een 100 meter lange rol van een op polymeer gebaseerde subnanocomposietfilm te vervaardigen.

"We hebben jarenlang aandacht besteed aan op polymeren gebaseerde subnanocomposieten, in samenwerking met professor Xun Wang van de afdeling chemie van de Tsinghua Universiteit", vertelde Yang Shen, co-auteur van het artikel, aan Phys.org. "Ons onderzoek [richt zich] op de capacitieve energieopslag van polymeerdiëlektrica, waarvoor een hoge polarisatie, weerstand tegen afbraak en onderdrukking van ladingsmigratie vereist is, vooral bij hoge temperaturen."

Subnanomaterialen zijn materialen met ten minste één dimensie kleiner dan 1 nm lang. Deze materialen kunnen verschillende vormen aannemen, zoals subnanodraden, subnanosheets en subnanobelts. Eerdere studies hebben aangetoond dat subnanomaterialen verschillende nieuwe kenmerken en eigenschappen kunnen vertonen, waardoor ze veelbelovende vulstoffen zijn voor samengestelde diëlektrica.

"Ten eerste vertonen subnanomaterialen, dankzij hun vergelijkbare afmetingen als polymeerketens, dat wil zeggen 1 nm, een grote flexibiliteit, wat betekent dat ze hun vormen kunnen aanpassen om de grensvlakholten te elimineren en een dicht grensvlak in composieten samen te voegen, " legde Shen uit. "Bovendien hebben subnanomaterialen een oppervlakteatoomverhouding van bijna 100% en een ultragroot specifiek oppervlak, wat aanleiding geeft tot veel opmerkelijkere grensvlakverschijnselen dan nanovulstoffen, zoals ladingsvangst en belemmering van het doorslagpad."

Op polyoxometalaat (POM) gebaseerde subnanomaterialen worden doorgaans vervaardigd door POM-clusters in één of twee dimensies samen te stellen. Dankzij de unieke structuur die uit dit proces voortkomt, kunnen deze materialen veel elektronen opvangen en opslaan via een reactie die bekend staat als metaalkationreductie, waardoor een alternatieve en veelbelovende aanpak wordt geboden om elektrische energie in diëlektrische apparaten om te zetten.

"De afgelopen jaren hebben we geprobeerd subnanomaterialen als vulstoffen te gebruiken en op polymeer gebaseerde subnanocomposieten bestudeerd", zei Shen. "Aanvankelijk concentreerden we ons op subnanodraden en hebben we de onverwachte versterking van de polarisatie ontdekt. ​​In dit recente werk hebben we onze aandacht gericht op subnanosheets en werd een substantiële verbetering van de doorslagsterkte benadrukt."

De onderzoekers proberen al een tijdje hoogwaardige polymere subnanocomposieten te fabriceren, omdat ze eerst verschillende technische hindernissen moesten overwinnen. Eerst moesten ze geschikte oplosmiddelen identificeren voor het synthetiseren van de materialen.

Grote polymeer subnanocomposiet diëlektrische film. Krediet:Yang et al.

"De juiste oplosmiddelen voor polymeren en subnanomaterialen zijn totaal verschillend, dat wil zeggen N,N-Dimethylformamide (DMF) of N-Methylpyrrolidon (NMP) voor respectievelijk de eerste en chloroform of cyclohexaan voor de laatste," zei Shen.

"In het begin kozen we voor chloroform als oplosmiddel, maar het lage kookpunt en de snelle verdamping maakten het gietproces van composietfilms erg moeilijk. We wendden ons vervolgens tot DMF/NMP en kwamen de onjuiste verdeling van subnanomaterialen daarin tegen." /P>

Om de uitdagingen te overwinnen die ze tegenkwamen bij het gebruik van DMF/NMP-oplosmiddelen, gebruikten de onderzoekers verschillende dispersieprocessen, zoals krachtig roeren en de ultrasone behandeling van materialen. Hierdoor konden ze er uiteindelijk voor zorgen dat de subnanomaterialen gelijkmatig in hun films werden verspreid.

Uiteindelijk slaagden Shen en zijn collega's erin subnanocomposieten van hoge kwaliteit te realiseren met een vulstofgehalte van minder dan 1 gew.%. Ze ontdekten dat dit voldoende was om de diëlektrische prestaties van hun materialen aanzienlijk te verbeteren, waardoor een ultrahoge Ud mogelijk werd. van 7,2 J cm − 3 met een laad-ontlaadefficiëntie van 90% en een laad-ontlaadcyclusstabiliteit tot 5 × 10 5 cycli bij 200 °C.

"Anders dan traditionele nanocomposieten hebben onze subnanocomposieten nog steeds een uitstekende flexibiliteit, wat wijst op de brede vooruitzichten voor industriële roll-to-roll-fabricage en toepassing met meerdere configuraties", aldus Shen. "Bovendien is bewezen dat subnanomaterialen verbeterende effecten hebben op veel gangbare hittebestendige polymeren, wat de algemeenheid ervan in capacitieve energieopslag verder bevestigt."

Als onderdeel van hun onderzoek konden de onderzoekers een 100 meter lange rol van een subnanocomposietfilm fabriceren met behulp van oplossingsgietapparatuur die in hun laboratorium was gebouwd. Opmerkelijk is dat hun fabricagemethode gemakkelijk op te schalen lijkt, en zo de continue roll-to-roll-fabricage van subnanocomposieten mogelijk zou kunnen maken.

"Wat traditionele nanocomposiet-diëlektrica betreft, zijn er vanwege het hoge gehalte aan stijve anorganische nanovulstoffen verschillende defecten en holtes op het grensvlak", aldus Shen.

"Tijdens de roll-to-roll-fabricage zullen deze grensvlakdefecten microscheuren vormen, die de flexibiliteit grotendeels verslechteren en de industriële productie van deze nanocomposietfilms belemmeren. Onze subnanocomposieten behouden daarentegen een grote flexibiliteit en hebben een dicht grensvlak vanwege de intrinsieke flexibiliteit en goede grensvlakcompatibiliteit met polymeren van subnanomaterialen."

Shen en zijn collega's ontdekten dat het 100 meter lange polymeer-anorganische subnanocomposiet dat ze produceerden stabiele energieopslagprestaties en betrouwbare eigenschappen vertoonde. In de toekomst hopen ze dat hun voorgestelde methoden de grootschalige fabricage van subnanocomposiet diëlektrische materialen mogelijk zullen maken, wat hun integratie in verschillende apparaten zou kunnen vergemakkelijken.

In hun volgende studies zijn de onderzoekers van plan de fabricage van polymeer-anorganische subnanocomposietmaterialen voor energieopslagcondensatoren te blijven onderzoeken. Naast het verder verbeteren van de prestaties van subnanocomposieten, hopen ze hun productie steeds verder te vereenvoudigen.

"Aan de ene kant zullen we de interactie tussen polymeren en anorganische vulstoffen op subnanoschaal blijven onderzoeken en de impact ervan op capacitieve energieopslag aantonen", voegde Shen eraan toe.

"Er is ontdekt dat de subnano-anorganische stoffen een uitstekende structurele compatibiliteit en een vergelijkbare schaal vertonen als polymeerketens, wat ons inspireert om chemische bindingen daartussen te introduceren en de hybride diëlektrica zonder interface te vormen. Aan de andere kant hopen we ook hun massaproductie en toepassing te bevorderen in filmcondensatoren."

"Hoewel subnanocomposiet veelbelovend bleek voor de roll-to-roll continue fabricage van diëlektrische film, zijn er nog steeds veel obstakels die we moeten overwinnen, zoals de hoge kosten van grondstoffen en de tijdrovende synthese van subnanomaterialen."

Meer informatie: Minzheng Yang et al., Roll-to-roll gefabriceerde polymeercomposieten gevuld met subnanoplaten die een hoge energiedichtheid en cyclische stabiliteit vertonen bij 200 °C, Nature Energy (2024). DOI:10.1038/s41560-023-01416-3

Journaalinformatie: Natuurenergie

© 2024 Science X Netwerk




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waar komt de kleur vandaan in paarse kool?
  2. Nieuwe CRISPR-tool richt zich op RNA in zoogdiercellen
  3. Niet alle dieren in het wild zijn hersteld in lockdowns, zo blijkt uit nieuw onderzoek
  4. Nieuwe studie laat zien hoe vogels samenwerken om samen te zingen
  5. Onderzoekers onderzoeken effecten van tau-eiwitten op microtubuli in zenuwcellen
  6. Vier grote groepen organische verbindingen die levende organismen samenstellen
  7. Paddestoelen vormen de hoofdpersoon in de meeste ecosystemen
  8. De reis van mangroven in Zuid-Japan volgen
  9. De kenmerken van de mitochondria

Wetenschap