Onderzoekers van Clemson's Nanomaterial's Institute (CNI) zijn een stap dichter bij het draadloos voeden van de wereld met behulp van tribo-elektriciteit, een groene energiebron
Ongeveer een jaar geleden vond een natuurkundig team bij CNI de ultraeenvoudige tribo-elektrische nanogenerator (U-TENG) uit. U-TENG gemaakt van plastic en tape is een klein apparaat dat elektriciteit opwekt door beweging en trillingen. Door met de voeten te klappen of te tikken, genereerde het spanning die verder wordt ontvangen door een extern circuit en wordt opgeslagen in een condensator of batterij totdat deze wordt opgeladen.
Ongeveer negen maanden later publiceerden de onderzoekers een paper in het tijdschrift Advanced Energy Materials, waarin stond dat ze een draadloze TENG of W-TENG maakten. De W-TENG is ook gemaakt door dezelfde onderzoekers van U-TENG. In W-TENG wordt het plastic vervangen door grafeen (een enkele laag grafietlood) en polymelkzuur (PLA). PLA is beter in het scheiden van positieve en negatieve ladingen, maar niet in het geleiden van elektriciteit, omdat deze onderzoekers het hebben gecombineerd met grafeen. Kapton-tape, het materiaal dat elektriciteit grijpt van U-TENG, wordt verwisseld met Teflon in W-TENG.
Nadat ze grafeen hadden gekregen door het proces van "ultrasoonapparaat" en PLA-vezels en het in een 3D-printer hadden gevuld, hebben ze met succes de W-TENG gemaakt.
“We gebruiken Teflon omdat het veel fluorgroepen heeft die zeer elektronegatief zijn, terwijl grafeen-PLA zeer elektropositief is. Dat is een goede manier om naast elkaar te staan en hoge spanningen te creëren, ”zei Ramakrishna Podila, corresponderende auteur van de studie en assistent-professor natuurkunde aan Clemson.
W-TENG kan maximaal 3.000 volt opwekken, wat voldoende is om 25 standaard stopcontacten of een LCD-monitor van stroom te voorzien. Vanwege de hoge spanning wekt W-TENG een elektrisch veld om zichzelf op dat draadloos kan worden waargenomen. De draadloze elektriciteit kan dus worden opgeslagen in condensator en batterijen.
“Je kunt er niet alleen energie van krijgen, maar je kunt het elektrische veld ook gebruiken als een geactiveerde afstandsbediening. U kunt bijvoorbeeld op de W-TENG tikken en het elektrische veld ervan gebruiken als een 'knop' om uw garagedeur te openen, of u kunt een beveiligingssysteem activeren - allemaal zonder batterij, passief en draadloos '', zegt Sai Sunil Mallineni, de eerste auteur van de studie en een Ph.D. student in natuurkunde en astronomie.
W-TENG heeft tal van toepassingen zoals in de ruimte, het midden van de oceaan of zelfs op het slagveld. "Verschillende ontwikkelingslanden hebben veel energie nodig, hoewel we in dergelijke omgevingen misschien geen toegang hebben tot batterijen of stopcontacten, en er is een duidelijk filantropisch nut voor de uitvinding van het team", zei Podila. "De W-TENG zou een van de schonere manieren kunnen zijn om energie op te wekken in deze gebieden."
Het team van de onderzoeker wordt opnieuw geleid door Mallineni tijdens het patenteren van de W-TENG via de Clemson University Research Foundation. Professor Apparao Rao, directeur van het Clemson Nanomaterials Institute, besprak met industriële partners om de W-TENG te integreren in energietoepassingen.
Bovendien zei Podila, voordat de industriële productie begon, dat er meer onderzoek moet worden gedaan om Teflon te vervangen door een milieuvriendelijker elektronegatief materiaal. Yongchang Dong, een andere student van CNI, leidde het werk aan de demonstratie van MXene-TENG, die in november 2017 werd gepubliceerd in een artikel in het tijdschrift Nano Energy. Herbert Behlow en Sriparna Bhattacharya van CNI geven ook deel aan deze studies.
Zal de W-TENG een impact hebben op het gebied van alternatieve, hernieuwbare energiebronnen? Rao zei dat het aan economie zal komen.
“We kunnen het alleen zover brengen als wetenschappers; de economie moet werken om de W-TENG succesvol te laten zijn, ”zei Rao.