Recent progress in bio-based triboelectric nanogenerators

Thumbnail Image

Files

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemiantekniikan korkeakoulu | Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2024-09-20

Department

Major/Subject

Kemia ja materiaalitiede

Mcode

CHEM3049

Degree programme

Kemiantekniikan kandidaattiohjelma

Language

en

Pages

32

Series

Abstract

Triboelectric nanogenerators (TENGs) generate electricity from kinetic energy. TENGs function by turning the charge potential difference between two electrically polarized materials into electricity. TENGs can harvest energy sustainably from sources such as waves, wind and human motion. This thesis focuses on bio-based TENGs (bio-TENGs), which are made from natural materials. Bio-TENGs have advantages of being environmentally friendly, biodegradable, and inexpensive. This thesis summarizes information of the recent developments in the field of bio-TENGs. The thesis discusses the performance, properties and applications of various bio-TENGs. In addition to this, different methods to enhance the performance of bio-TENGs are discussed. The thesis provides information that can help in the future re-search of bio-TENGs. Bio-TENGs show great potential, as a few have achieved output performances close to non-bio-TENGs. The most common ways of enhancing the performance of bio-TENGs include modification of surface morphology and addition of functional groups to the surface. By increasing the roughness of the surface, the performance of the TENG is increased until a certain point. This is because excessively smooth or excessively rough surface cause lower effective surface area, which affects the charge transfers between two materials. Therefore, it is crucial to investigate what surface roughness achieves the highest effective contact area. The performance can also be increased by adding molecule groups to the surface of a material, that are strongly electron withdrawing or donating. Such groups are e.g., fluoride groups and amino groups, respectively. In addition to these, there is multitude of other material-dependent phenomena affecting the performance of bio-TENGs. As an example, the performance of a TENG made of wood is affected by the direction in which the wood is cut. Overall, all these modifications aim to enhance the surface charge density. The problems of bio-based TENGs include things such as low power output and weak mechanical durability, especially in humid conditions. There has been progress in both these problems, as the durability in humid conditions and power output has been greatly improved in the most promising bio-TENGs.

Triboelektriset nanogeneraattorit (triboelectric nanogenerators, TENG) ovat liike-energiasta sähköä tuottavia laitteita. Niiden avulla pystytään keräämään energiaa kestävästi esimerkiksi aalloista, tuulesta ja ihmisen liikkeistä. Lyhyesti, ne toimivat siten, että kaksi materiaalia koh-datessaan toisensa vaihtavat sähköisiä varauksia, jonka jälkeen materiaalien välinen sähköinen potentiaali saadaan talteen sähkönä. Tämä työ keskittyy TENGeihin, jotka on valmistettu biopohjaisista materiaaleista. Biopohjaisten TENGien hyötyjä ei-biopohjaisiin verrattuna ovat muun muassa ympäristöystävällisyys, biohajoavuus ja edullisuus. Ympäristöystävällisempien TENGien avulla pystytään vähentämään haittavaikutuksia ympäristöön ja ehkäisemään ilmaston muutosta. TENGeillä on suuri määrä erilaisia käyttökohteita, kuten omavaraiset sen-sorit, sähkön tuotanto ja lääketieteelliset sovellukset. Tämä kandidaatintyö kokoaa yhteen tietoa viimeaikaisesta kehityksestä biopohjaisten TENGien tutkimuksessa. Työssä esitellään erilaisten biopohjaisten TENGien suorituskykyä, ominaisuuksia ja käyttökohteita. Lisäksi työssä käytiin läpi, millaisilla eri keinoilla suorituskykyä on onnistuttu parantamaan. Yksi työn tavoitteista on myös auttaa tulevia tutkimuksia kehittämään tehokkaampia ja kestävämpiä biopohjaisia TENGejä. Biopohjaiset TENGit ovat keskimäärin heikompia suorituskyvyltään kuin ei-biopohjaiset. Poikkeuksia kuitenkin on, ja muutamat biopohjaiset TENGit ovat yltäneet jopa erinomaiseen suorituskykyyn. Tärkeimpiä keinoja suorituskyvyn parantamisessa ovat pinnan morfologian muokkaaminen ja funktionaalisten ryhmien lisääminen pinnalle. Lisäämällä materiaalin pinnalle erittäin voimakkaasti elektroneja vastaanottavia tai luovuttavia ryhmiä, kuten fluoridi tai aminoryhmiä, saadaan merkittävä parannus suorituskykyyn. Pinnan karheuden lisääminen parantaa suorituskykyä tiettyyn pisteeseen saakka, jossa suorituskyky alkaa taas heikentyä. Tämä johtuu siitä, että liian sileä pinta tai todella karhea pinta ei saa hyvää kontaktia toiseen materiaaliin. On siis tärkeää tutkia, millä karheudella saavutetaan optimaalinen kontaktipinta-ala materiaalien välillä. Näiden lisäksi on muita materiaalikohtaisia ilmiöitä, jotka vaikuttavat suorituskykyyn. Esimerkiksi puusta tehdyn TENGin suorituskykyyn vaikuttaa puun läpileikkaussuunta. Biopohjaisten TENGien merkittävä ongelma heikon suorituskyvyn lisäksi on huono mekaaninen kestävyys, erityisesti kosteissa olosuhteissa. Kestävyydessäkin on kuitenkin tapahtunut kehitystä, sillä biopohjaisia TENGejä on onnistuttu valmistamaan merkittävästi paremmalla kosteuden kestävyydellä. TENGien tutkimus on kasvava ala, joten nykyisistä ongelmista päästään varmasti yli tulevaisuudessa. Lisää tutkimusta kuitenkin tarvitaan biopohjaisten materiaalien modifikaatiomenetelmiin, jotta suorituskykyisiä biopohjaisia TENGejä voidaan tuottaa edullisesti ja ympäristöystävällisesti. Lisäksi tarvitaan tutkimusta erityisesti suorituskyvyn ja mekaanisen kestävyyden parantamiseksi.

Description

Supervisor

Kontturi, Eero

Thesis advisor

De, Swarnalok

Keywords

triboelectric nanogenerator, TENG, bio-TENG, tribo-pair

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202411267503

Collections

[kand] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM