Nano-hydroelectric technology utilizes hydraulic flow through nanomaterials to generate electricity, which has gained increased attention due to its simplicity, renewability, and ubiquity. For the past few years, most of nano-hydroelectric devices have been devised using the liquid or vapor phase of water as a source of energy conversion. Unfortunately, the reported energy conversion efficiencies of even the state-of-the-art hydroelectric generators are not sufficient for practical applications; for example, tens of thousands of unit devices are required to reach mW scale of power generation. In this study, we utilize titanium carbide (Ti3C2) MXene nanosheets, which have metallic conductivity with the two-dimensional feature, to improve the electrokinetic energy conversion efficiency of the transpiration-driven electrokinetic power generator (TEPG). The MXene based transpiration-driven electrokinetic power generator (MTEPG), where MXene nanosheets are coated on cotton fabric, derived fast nano-flow of water through the layered structure for a high pseudo-streaming current of 78 μA. The intensive affinity toward cation enables the MTEPG to generate high voltage and current of 0.68 V and 2.73 mA by asymmetrically dropped NaCl solution. Furthermore, adding polyaniline(PANi) into MPETG enhances the ionic diffusion while maintaining the Ti3C2 MXene nanosheet network. The Ti3C2/PANi composite-based transpiration-driven electrokinetic power generator (MPTEPG) generated a maximum voltage and current of 0.54 V and 8.2 mA, with a maximum power density of 30.9 mW/cm3. Highly efficient MPTEPG could operate low-power electronics and charged the commercialized battery for the first time with a total device volume of 6.72 cm3.
나노수력전기생산기술은 나노물질 표면의 수분 흐름을 이용해 전기를 생산하는 기술로, 그 편리성, 재생가능성, 적용성으로 최근 많은 연구에서 조명되고 있다. 지난 몇 년 간, 나노수력전기생산기술은 액체상태 또는 기체상태의 물을 에너지 생산 원료로 사용해왔다. 그러나, 보고된 최신 나노수력전기생산기술의 에너지 생산효율은 실사용에 필요한 수준에 도달하지 못하였다; mW수준의 전력을 생산하기 위해서는 수 천개 이상의 단일 장치들을 연결하여 사용해야하는 단계이다. 이에 본 연구에서는, 금속성의 전도도를 가지며 2차원 형상을 가진 탄화티타늄 맥신을 이용한 증산작용 기반 동전기적 전력 생산장치를 제작하여 동전기적 전력변환 효율을 크게 증대하였다. 면 섬유에 맥신을 코팅하여 제작한 맥신 증산작용기반 동전기적 전력생산장치는 맥신의 친수성 표면 및 2차원의 층상구조에 의한 강한 모세관 현상에 기인하여 빠른 수분흐름을 유도하였으며, 이에 78 μA의 높은 유사수분흐름 전류값을 보여주었다. 또한 맥신 표면의 작용기에 의한 강한 양이온 친화성에 기인하여 염화나트륨 용액을 사용하여 장치에 비대칭 적인 젖음상태로 만들었을 때 0.68 V의 높은 전압과 2.73 mA의 높은 전류값을 보여주었다. 추가로, 폴리아닐린과 맥신을 혼합한 경우 이온의 확산성이 증가되는 동시에 맥신의 전기적 연결구조를 유지함으로써 최적화된 단일 장치 기준 최대 0.54 V, 8.2 mA 의 전압 및 전류값을 보여주었으며, 이는 약 30.9 mW/cm3 의 전력 밀도를 가지는 것을 확인할 수 있었다. 고효율의 맥신/폴리아닐린을 이용한 증산작용 기반 동전기적 전력생산장치는 총 6.72 cm3 부피로 저전력 부하들을 구동하였으며, 상용화된 배터리를 충전하는데에 최초로 성공하였다.
