Boosting the Power Output of a Cement-Based Triboelectric Nanogenerator by Enhancing Dielectric Polarization with Highly Dispersed Carbon Black Nanoparticles toward Large-Scale Energy Harvesting from Human Footsteps

摩擦电效应 纳米发生器 材料科学 电介质 炭黑 水泥 复合数 纳米技术 抗压强度 复合材料 光电子学 压电 天然橡胶
作者
Saman Kuntharin,Viyada Harnchana,Annop Klamchuen,Kitiphat Sinthiptharakoon,Prasit Thongbai,Vittaya Amornkitbamrung,Prinya Chindaprasirt
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:10 (14): 4588-4598 被引量:46
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.1c08629
摘要

A strategy to enhance the energy conversion performance of a cement-based triboelectric nanogenerator (TENG) has been proposed for large-scale energy harvesting from human footsteps. A cement-carbon black (CB) composite is fabricated by incorporating CB nanoparticles with a hydroxyethyl cellulose (HEC) admixture and used as a triboelectric material for TENG. The fabricated cement-CB@HEC TENG exhibits a 13-fold enhancement of the electrical output with the highest power density of 2.38 W/m2. The tremendous improvement is ascribed to a good dispersion of conductive CB nanoparticles in the cement matrix, which is key for achieving a high dielectric constant that is required to intensify the triboelectric charge density of TENG. Moreover, it was found that the addition of the HEC admixture plays a crucial role in not only providing a good dispersion of CB for generating dielectric polarization but also facilitating the development of a microstructure and crystallization of cement hydration products to reduce the formation of air voids and micropores. These factors synergistically contribute to the improved dielectric constant and compressive strength of the cement-CB@HEC composite. This remarkable strategy presents great prospects for the development of smart cement materials for realizing applications in large-scale energy harvesting toward sustainable, clean, and renewable energy sources.
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