Novel materials for energy harvesting, energy storage and electromagnetic interference shielding

Abstract

Nedávné pokroky v materiálové vědě a nanovědě mění udržitelné technologie prostřednictvím inovativních materiálů a nových architektur. Klíčové výzvy však přetrvávají při převodu těchto pokroků do praktických aplikací. Tato práce se zaměřuje na návrh a integraci multifunkčních nanomateriálů do pokročilých zařízení pro získávání energie, ukládání energie a stínění elektromagnetického rušení (EMI). První část této práce se zabývá především získáváním energie pomocí triboelektrických nanogenerátorů (TENG) pro aplikace s vlastním napájením. Nejprve jsme zkoumali vícemateriálový trojrozměrný (3D) tisk pro jednokrokovou výrobu TENG pro mechanickou přeměnu energie na elektrickou. Tyto TENG se dále využívají jako inteligentní podlahové dlaždice, které současně získávají energii z ch;ze a zároveň fungují jako zařízení pro monitorování pohybu/bezpečnosti v reálném čase. Dále jsme zkoumali fázi Ti2AlC MAX (M=Ti, A=Al, X=C) pro výrobu kompozitní elektrody MAX-polymer pro TENG. Tento TENG je poté integrován s elektrochemickým systémem redukce dusičnanů, který dokáže využít zbytečnou nízkofrekvenční vibrační energii pro výrobu zeleného amoniaku. Tato elektroda vykazuje vylepšený výkon ve srovnání s původním TENG na bázi polymeru. To demonstruje použití hmatových senzorů a vlastního zdroje energie za okolních podmínek. Druhá část této práce zkoumá systém ukládání energie se zaměřením na technologie superkondenzátorů. Prozkoumali jsme škálovatelnou a nákladově efektivní techniku 3D tisku metodou taveného depozičního modelování (FDM) pro výrobu elektrody superkondenzátoru. Abychom překonali vysoký obsah polymerů, který ovlivňuje elektrochemickou aktivitu uhlíkových nanomateriálů, modifikovali jsme povrch elektrody pomocí depozice dvourozměrných (2D) materiálů. Jako elektrodu superkondenzátoru jsme použili uhlíkovou elektrodu modifikovanou disulfidem wolframu, vytištěnou na 3D tisku, což demonstruje vylepšené ukládání náboje v 3D tištěných superkondenzátorech v pevné fázi. Dále jsme zkoumali 3D tištěnou elektrodu modifikovanou MXenem a polyanilinem (PANI) pro výrobu asymetrického superkondenzátoru, který rozšířil okno provozního napětí a hustotu energie pro napájení malých elektronických součástek v samostatné konfiguraci. Třetí část zkoumá stínění EMI pomocí 3D tištěných nanokarbonových kompozitů. Systematicky byla porovnána účinnost stínění vodivých plniv, jako jsou uhlíkové nanotrubice (CNT) a saze (CB). Schopnosti stínění těchto 3D tištěných nanokarbonových kompozitů jsou dále zesíleny elektrochemickým nanášením PANI. Tato zjištění zdůrazňují potenciál kompozitů PANI@3D tištěných jako udržitelné alternativy ke konvenčním stíněním na bázi kovů. Tato práce kolektivně ukazuje, že nové a multifunkční nanomateriály lze racionálně konstruovat tak, aby umožnily vznik vysoce výkonných energetických zařízení nové generace. Toho je dosaženo integrací různých technik, včetně elektrochemické syntézy a aditivní výroby, které umožňují kontrolu nad funkčností rozhraní. Tyto pokroky v oblasti získávání energie, ukládání a stínění EMI nás společně posouvají o krok blíž k budování pokročilých soběstačných systémů.Recent advances in materials science and nanoscience are reshaping sustainable technologies through innovative materials and novel device architectures. However, key challenges remain in translating these advances into practical device applications. To address this, this thesis focuses on the design and integration of multifunctional nanomaterials into advanced devices for energy harvesting, energy storage, and electromagnetic interference (EMI) shielding. The first section of this thesis mainly explores energy harvesting through triboelectric nanogenerators (TENGs) for self-powered applications. We first explored multi-material three-dimensional (3D) printing for the one-step fabrication of TENGs for mechanical-to-electrical energy conversion. These TENGs are further utilised as smart floor tiles that simultaneously harvest energy from footsteps while operating as a real-time motion/security monitoring device. Furthermore, we investigated the Ti2AlC MAX (M=Ti, A=Al, X=C) phase to fabricate a MAX-polymer composite electrode for TENG. This TENG is then integrated with an electrochemical nitrate reduction system that can harness the wasted low-frequency vibrational energy for green ammonia production. This electrode exhibits enhanced performance compared to the pristine polymer-based TENG. This demonstrates the application of tactile sensors and a self-powered energy source at ambient conditions. The second section of this thesis explores the energy storage system, with a focus on supercapacitor technologies. We explored a scalable and cost-effective fused deposition modelling (FDM) 3D-printing technique for fabricating a supercapacitor electrode. To overcome the high polymer content that affects the electrochemical activity of carbon nanomaterials, we modified the electrode surface using the deposition of two-dimensional (2D) materials. We utilised a tungsten disulfide-modified 3D-printed carbon electrode as the supercapacitor electrode, demonstrating enhanced charge storage in 3D-printed solid-state supercapacitors. Furthermore, we investigated an MXene and polyaniline (PANI) modified 3D-printed electrode to fabricate an asymmetric supercapacitor, which expanded the operating voltage window and energy density to power small electronic components in a standalone configuration. The third section explores EMI shielding using 3D-printed nanocarbon composites. The shielding effectiveness of conductive fillers, such as carbon nanotubes (CNTs) and carbon black (CB), was systematically compared. The shielding capabilities of these 3D-printed nanocarbon composites are further enhanced by the electrochemical deposition of PANI. These findings highlight the potential of PANI@3D-printed composites as sustainable alternatives to conventional metal-based shields. Collectively, this thesis demonstrates that novel and multifunctional nanomaterials can be rationally engineered to enable next-generation, high-performance energy devices. These are achieved through the integration of various techniques, including electrochemical synthesis and additive manufacturing, which enable control over interfacial functionality. Together, these advances in energy harvesting, storage, and EMI shielding push us one step closer to building advanced self-sustaining systems.