Upcycling von Erdölabfällen zu einem leistungsstarken und dennoch nachhaltigen triboelektrischen Nanogenerator

Der „Big Yellow Sulfur Pile“, ein markantes Wahrzeichen im kanadischen Vancouver, ist ein Zeugnis der enormen Mengen an elementarem Schwefel, die bei der Hydrodesulfurierung bei der Erdölraffination entstehen.

Im Jahr 2013 entwickelte die Gruppe von Prof. Pyun von der University of Arizona die inverse Vulkanisation, eine Methode zur Synthese eines schwefelreichen Polymers (SRP), das einen elementaren Schwefelgehalt von mehr als 50 Gew.-% im Grundgerüst dieses neuen Polymers enthält. Dieser elementare Schwefel wurde als chemisch stabiles und festes SRP synthetisiert, indem er mit einem π-Bindungs-haltigen Comonomer copolymerisiert wurde.

SRPs wurden aufgrund ihrer intrinsischen hohen Transparenz und ihres hohen Brechungsindex im IR-Bereich üblicherweise zur Herstellung polymerbasierter Infrarotoptiken (IR) eingesetzt und ersetzten teure und zerbrechliche typische IR-Materialien wie Ge, ZnS und ZnSe. Über diese optische Anwendung hinaus verwandelt ein Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jeong Jae (JJ) Wie vom Fachbereich für Organische und Nanotechnik der Hanyang-Universität diesen leuchtend gelben Abfall nun in eine wertvolle Ressource für nachhaltige Energie.

Das Papier ist veröffentlicht im Journal Fortschrittliche Materialien.

Triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) gelten als vielversprechende umweltfreundliche Energiequelle, die verschwendete mechanische Energie in Elektrizität umwandelt. Moderne TENGs verwenden jedoch typischerweise Fluorpolymere, die ein hohes Potenzial haben, gefährliche Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) in das Ökosystem freizusetzen. Sobald sie vom menschlichen Körper aufgenommen wurden, können PFAS aufgrund ihrer stabilen chemischen Struktur lange Zeit im Körper verbleiben und ernsthafte Gesundheitsrisiken wie Krebs, Schäden am Immunsystem und Fehlgeburten verursachen.

Um dieses kritische Umweltproblem mit TENGs anzugehen, hat das Forschungsteam von Prof. Wie ein neues schwefelreiches TENG auf Polymerbasis entwickelt. Die Verwendung von elementarem Schwefel bietet drei Vorteile in Bezug auf Wirtschaftlichkeit, Nachhaltigkeit und TENG-Ausgabeleistung. Elementarer Schwefel ist sehr billig und weist dennoch eine hohe Reinheit auf, da jährlich 7 Millionen Tonnen Schwefel durch den Prozess der gasförmigen Hydrodesulfurierung erzeugt werden. Das Upcycling von elementarem Schwefel bietet große Vorteile in Bezug auf die Nachhaltigkeit, da elementarer Schwefelabfall nur begrenzt einsetzbar ist und erhebliche Lagerungsprobleme mit sich bringt.

Wichtig ist, dass elementarer Schwefel mit −200 kJ mol−1 die höchste Elektronenaffinität aufweist, die höher ist als die von Kohlenstoff (−122 kJ mol−1). Die Elektronenaffinität ist ein Maß für die Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Atom ein Elektron gewinnt. Ein Atom mit hoher Elektronenaffinität begünstigt die Gewinnung eines Elektrons und wird mit einem niedrigeren Energieniveau stabiler als ein Atom mit geringerer Elektronenaffinität. Dies bedeutet, dass schwefelreiche Polymere hervorragende Kandidaten für hochleistungsfähige triboelektrische Materialien sein können, da sie die Erzeugung von Oberflächenladungen erleichtern.

Diese neueste Entwicklung baut auf den früheren Forschungsarbeiten der Prof. Wie-Gruppe aus den Jahren 2019 und 2021 zu TENGs auf SRP-Basis auf. Im Jahr 2019 war das Team das erste, das TENGs auf SRP-Basis durch Oberflächenfluorierung von SRP-Folien einführte. Mit dieser Methode wurde im Vergleich zu herkömmlichen TENGs auf PTFE-Basis eine 6-fache Spannungserhöhung und eine 3-fache Stromerhöhung erreicht. Allerdings war diese Methode auf giftiges und brennbares Fluorgas (F2) angewiesen.

Im Jahr 2021 entwickelte das Team eine SRP-basierte Mischung, die eine Oberflächenlokalisierung des Fluorpolymers durch Phasentrennung zeigte, wodurch giftige Gase durch Phasentrennung vermieden wurden. Diese Technik verbesserte die TENG-Leistung ohne den Einsatz von giftigem Fluorgas und erreichte eine 8- bzw. 9-fache Steigerung der Spannungs- und Stromabgabe gegenüber PTFE-basierten TENGs. Doch trotz der Verwendung von nur 7,5 Gew.-% des Fluorpolymers war das TENG nicht völlig PFAS-frei.

Diese Forschung bringt Fortschritte bei der Verwendung von SRP ohne die oben genannten Umweltbedenken voran, indem MXene, ein neues 2D-Nanomaterial, mit getrennten Strukturen integriert wird. Getrennte Strukturen ermöglichen eine gleichmäßige Verteilung des SRP/MXene-Komposits mit minimierter Verwendung von MXene unter 0,5 Gew.-% und dennoch maximierter Grenzflächenfläche zwischen MXene und SRP-Matrix. Diese Strukturtechnik ist wichtig, um die angesammelten Ladungen an der Schnittstelle zu erhöhen, die für eine hohe TENG-Ausgangsleistung unerlässlich sind.

Schließlich demonstrierte der auf SRP/MXene-Verbundwerkstoff basierende TENG eine rekordhohe Spitzenleistungsdichte von 3,80 W m−2, was einem 8,4-fachen Wert gegenüber dem zuvor im Jahr 2022 gemeldeten TENG auf SRP-Basis entspricht. Diese Fähigkeit ermöglicht es ihm, angeschlossene blaue LEDs der Serie 558 direkt mit Strom zu versorgen und Kondensatoren effizient aufzuladen, was einen bedeutenden Schritt in Richtung praktischer Anwendungen in verschiedenen Bereichen darstellt.

Darüber hinaus ist TENG auf SRP/MXene-Verbundstoffbasis aufgrund seiner inhärenten Selbstheilungseigenschaft außergewöhnlich gut recycelbar, was ein einfaches Recycling ohne Leistungseinbußen ermöglicht. Diese Forschung verbessert nicht nur die Leistung von TENG, sondern trägt auch deutlich zur echten Nachhaltigkeit in diesem Bereich bei. Der innovative SRP/MXene-Verbundstoff mit getrennter Struktur setzt einen neuen Standard für Technologien zur Gewinnung grüner Energie.