Toxic Gas-Free Synthesis of Extremely Negative Triboelectric Sulfur Copolymer Blends Via Phase Separation of Fluorine-Rich Polymers

摩擦电效应 材料科学 纳米发生器 聚合物 化学工程 表面能 硫化 相(物质) 接触角 共聚物 复合材料 有机化学 天然橡胶 化学 冶金 工程类 压电
作者
Jin Hyeok Choi,Sukyoung Won,Hyeok Jun Yoon,Jong Hyeok Lee,Hye Woon Jang,Jisoo Jeon,A Young Kim,Sang Hyeok Park,Ji Ho Youk,Minbaek Lee,Jeong Jae Wie
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:92: 106761-106761 被引量:13
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106761
摘要

Recently, we reported surface fluorination of sulfur-based polymers to introduce a new class of extremely negative triboelectric material. However, the direct surface fluorination requires the use of toxic fluorine gas. In this study, we report the toxic gas-free synthesis of extremely negative triboelectric sulfur-rich polymers via the phase separation of a fluorine-rich polymer, poly(2,3,4,5,6-pentafluorostyrene) (PPFS), from sulfur copolymers. PPFS was physically mixed in situ during the inverse vulcanization of elemental sulfur, a by-product of petroleum refining to prepare the polymer blends. Hot pressing of the blends into films induced the phase separation of the hydrophobic PPFS; subsequently, PPFS migrates to the hydrophobic air interface to minimize the interfacial energy. A triboelectric nanogenerator (TENG) based on the phase separated blend films presented long-term stable voltage and current outputs that are 8-fold and 9-fold higher, respectively, than those of a TENG based on polytetrafluoroethylene (PTFE), a well-known extremely negative triboelectric polymer. We also demonstrate the ability of a TENG based on an 81.1 cm2-sized blend film to power 400 series-connected blue LEDs of 3.3 V; a triboelectric open-circuit voltage output of 1362.4 V is obtained under a minimal force of 30 N. The demonstrated phase-separation strategy for fluorine-rich polymers will thus provide insights for achieving low-cost, environment-friendly, and high-performance triboelectric energy harvesting.
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