Efeito do tamanho de partícula da cerâmica de titanato de bismuto modificado por lantânio no efeito ferroelétrico para coleta de energia

Resumo

Nanogeradores piezoelétricos (PNGs) têm sido estudados como fontes de energia renováveis. PNGs consistindo de materiais piezoelétricos orgânicos, como poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) contendo pó de complexo de óxido, têm atraído muita atenção por sua conversão de energia esticável e de alto desempenho. Neste estudo, preparamos um PNG combinado com PVDF e titanato de bismuto modificado com lantânio (Bi _4-X La _X Ti ₃ O ₁₂ , BLT) cerâmicas como materiais ferroelétricos representativos. O pó BLT inserido foi tratado por moagem de bolas de alta velocidade e seu tamanho de partícula reduzido à nanoescala. Também investigamos o efeito do tamanho da partícula no desempenho de captação de energia da PNG sem pesquisa. Como resultado, o pó nanométrico tem uma área de superfície muito maior do que o pó micro e é uniformemente distribuído dentro do PNG. Além disso, PNG nanométrico misturado com pó gerou energia de maior potência (> 4 vezes) do que o micro tamanho PNG inserido.

Introdução

A coleta de energia é uma tecnologia de economia de energia promissora que nos permite viver na Terra continuamente. A coleta de energia atraiu muita atenção por permitir a operação estável de aplicativos da Internet das Coisas (IoT). Um alto desempenho de coleta de energia é a chave para a quantidade relativamente pequena de energia e potência que pode ser coletada. Além disso, as funções extensíveis e vestíveis são necessárias para todos os dispositivos de última geração [1,2,3]. Tecnologias de captação de energia para coleta de fontes de energia, que se originam de prensagem mecânica, vibrações (piezoelétricas), gradiente de temperatura (termelétricas) e luz solar (fotovoltaica), desenvolveram-se rapidamente na última década; estes envolvem o processo de capturar energia de uma ou mais fontes renováveis de energia e convertê-la em energia elétrica utilizável [4,5,6].

A técnica piezoelétrica tem sido mais comumente usada entre várias técnicas por causa de sua simplicidade de transdução e relativa facilidade de implementação em vários campos de aplicação. Os sistemas de nanogeradores piezoelétricos (PNG) incluem dois tipos de sistemas:cerâmicas piezoelétricas e materiais piezoelétricos orgânicos baseados em polímeros piezoelétricos [7, 8]. Cerâmicas piezoelétricas têm uma alta capacidade de coleta de energia. No entanto, eles não se dobram facilmente e são facilmente quebrados por choques mecânicos. Em comparação com as cerâmicas piezoelétricas, os polímeros piezoelétricos são mais fortes do que os polímeros de quebra e dobra. Os polímeros piezoelétricos foram fabricados com materiais piezoelétricos orgânicos. Poli (fluoreto de vinilideno) (PVDF) foi introduzido, levando ao PNG com polímeros [9, 10]. Várias tentativas têm sido feitas para incorporar materiais cerâmicos e orgânicos dentro da matriz polimérica, alterando a estrutura do dispositivo para melhorar o desempenho de captação de energia de polímeros piezoelétricos [11,12,13]. Além disso, para o alto desempenho do dispositivo, foi introduzido aquele tratamento de superfície ou controle do tamanho e forma das partículas para uma grande área de superfície. [14,15,16].

Neste estudo, selecionamos titanato de bismuto modificado com lantânio (BLT, Bi _3,25 La _0,75 Ti ₃ O ₁₂ ) cerâmicas, que foram relatadas como isolantes adequados com forte sustentabilidade, baixa temperatura de processamento e grandes valores de polarização remanescente [17, 18]. BLT veio de Bi ₄ dopado com lantânio (La) Ti ₃ O ₁₂ (BTO) que é representante de ABO ₃ compostos de perovskita que pertencem às fases Aurivillius. Em vez de íons Bi perto das camadas de octaedro Ti-O no BTO, o dopagem com íons La poderia melhorar suas propriedades físicas e cristalinidade diminuindo as lacunas de oxigênio e defeitos na estrutura cristalina [19, 20]. Primeiro, o pó BLT de tamanho nanométrico foi preparado por moagem de bolas de alta energia a partir de um pó de tamanho micro [21]. À medida que o tamanho da partícula diminuía, a área de superfície das nanopartículas melhorava em até 10 vezes em relação ao lado micro. Em seguida, sintetizamos PNG com uma combinação de materiais ferroelétricos para melhorar seu desempenho de coleta de energia e o efeito sobre o tamanho das partículas de cerâmicas BLT (micro e nano) contidas em dispositivos PNG sem votação. Em comparação com o micro-pó inserido em PNG, observamos que o desempenho de geração de energia foi melhorado em mais de quatro vezes em comparação com o PNG com nanopartículas misturadas.

Métodos

Materiais Químicos de Partida

Como materiais químicos iniciais para BLT, Bi ₂ O ₃ (<99,9%), TiO ₂ (<99,99%), La ₂ O ₃ (<99,99%), e os pós de óxidos binários foram adquiridos da Kojundo Chemical Company. Pó de PVDF e N, N-Dimetilacetamida (DMA) e etanol foram adquiridos na Sigma-Aldrich Chemical Company. Todos os materiais químicos e solventes foram usados sem purificação adicional durante o procedimento experimental.

Amostras de fabricação

Fabricamos um PNG usando as três etapas a seguir: Etapa 1 . Síntese de pó BLT: Com base em nossos relatórios anteriores [22, 23], preparamos pó BLT com partículas de micro-tamanho. Os pós compostos de óxido BLT como preparados foram Bi _3,25 La _0,75 Ti ₃ O ₁₂ . Primeiro, os reagentes químicos iniciais, etanol e grânulos de moagem de zircônia foram transferidos para uma garrafa de Teflon e completamente misturados em um moinho de bolas mecânico (200 rpm) por 24 h. Após a secagem completa da mistura em estufa (80 ° C), as misturas obtidas foram calcinadas a 850 ° C por 3 h (5,2 ° C / min). Etapa 2 . Controle do tamanho da partícula após a calcinação: O pó a granel (microdimensionado) foi tratado em um sistema de moagem de bolas de alta energia (Modelo UAM-015, Kotobuki) com etanol e grânulos de zircônia (Ø <0,1 mm). Antes do tratamento da amostra, dispersamos o pó de BLT (3 g) e os grânulos de zircônia (400 g) em etanol (500 mL); a solução de mistura foi fornecida a um recipiente de 0,15 L. O processo de moagem de bolas foi realizado no vaso a uma velocidade de rotor de 40 Hz, correspondente a 3315 rpm, por 3 h. Etapa 3. Fabricação de PNG com pó BLT: PVDF e pó de BLT (40% em peso) foram dispersos na solução de DMA e agitados por 2 h em temperatura ambiente. A solução de mistura foi gotejada em um substrato de vidro soda-cal e girada a 1000 rpm por 30 s. Após o processo de spin coating, as amostras foram transferidas para uma placa quente e secas a 60 ° C por 3 h para evaporar o solvente. Os filmes de PVDF e BLT foram obtidos por meio do descascamento do substrato de vidro. Dispositivos PNG foram montados com filmes inseridos entre folhas de cobre imprensadas como os eletrodos superior e inferior. As condições detalhadas do procedimento são mostradas na Fig. 1.

O processo de fabricação de PNG continha PVDF e pó BLT

Medições

As propriedades morfológicas e microestruturais dos pós BLT de tamanho micro e nano sintetizado foram observadas por microscopia eletrônica de varredura de emissão de campo (FE-SEM, Hitachi, S-4700) e Microscópio Eletrônico de Transmissão (TEM, JEOL LTD, JEM-2100F HR) . O tamanho da partícula de pó e as distribuições de forma nos filmes complexos de PVDF-pó no dispositivo PNG foram observados usando um sistema de feixe de íons focado (FIB, Nova Nano, SEM200). As medições de adsorção-dessorção de nitrogênio foram realizadas em um analisador de superfície BET, e as áreas de superfície específicas e os volumes de poros foram calculados usando o método Brunauer – Emmett – Teller (BET, Micromeritics, ASAP 2020). A distribuição do tamanho dos poros do pó foi estimada a partir dos ramos de adsorção das isotérmicas usando o método Barrett – Joyner – Halenda (BJH). A tensão e a corrente geradas foram medidas usando um sistema de solução IV (medidor de fonte, Keithley 2410).

Teste de propriedade piezoelétrica para desempenho de geração de energia

Para avaliar as propriedades de geração de energia das amostras, usamos dois tipos diferentes de modos:(1) pressionar / descompactar e (2) dobrar / liberar, conforme mostrado no desempenho de captação de energia da Fig. 1c. Primeiro, a geração de voltagem das amostras foi medida pressionando e descomprimindo o peso (área:1,77 cm ² , 194 g) no meio do dispositivo PNG. Em seguida, as amostras (dispositivos PNG) foram carregadas no substrato de policarbonato e conectadas ao equipamento de solução IV. Para a curvatura da amostra a uma velocidade de 1 vez / s, medimos a corrente e a tensão geradas dos dispositivos PNG preparados com e sem pó BLT.

Resultados e discussões

Ajuste do tamanho de partícula de cerâmica BLT e PVDF

Depois que o pó BLT foi submetido a moagem de bolas de alta energia, o tamanho da partícula do pó tornou-se menor e mais estreito. Como mostrado na Fig. 2, a área de superfície BET do pó aumentou de 1,5297 para 33,8305 m ² / g. A área de superfície das amostras dependia do tamanho das partículas. As Figuras 2c e d mostram a isoterma de adsorção / dessorção de nitrogênio das amostras (BJH, BET). As áreas de superfície BET de amostras micro e nanométricas são de aproximadamente 1,12 e 30,67 m ² / g, respectivamente. Os perfis de isoterma de todas as amostras pertencem ao tipo II com um loop de histerese H3 com um loop de histerese pronunciado de acordo com a classificação IUPAC [24, 25]. Este tipo de isoterma em baixa pressão relativa indica que as amostras possuem superfícies não porosas.

Imagens FE-SEM e isoterma de adsorção-dessorção de nitrogênio e distribuição de tamanho de poro de cerâmicas BLT preparadas e tratadas por moagem de alta energia por 3 h; a e c micro-tamanho e b e d pó nanométrico

Pode ser visto claramente na Fig. 2a que a morfologia do pó de tamanho micro é principalmente dominada pela presença de grãos de bordas irregulares com polígono de tamanho aleatório. Observamos que o tamanho de partícula diminuiu a partir das imagens FE-SEM na Fig. 2b após moagem de bolas de alta energia. Como esperado de FE-SEM e BET na Fig. 2, a observação de TEM pode ser confirmada que o tamanho e a forma da partícula foram alterados em uma série de amostras da Fig. 3. Em comparação com o pó BLT de tamanho micro com microestrutura, Nano- O pó BLT dimensionado é composto por grãos com um tamanho inferior a 100 nm. Portanto, o pó BLT com partículas nanométricas pode ter uma área de superfície específica maior, o que pode ser bastante útil para a distribuição formal para melhorar a geração de energia no dispositivo NG [21, 26].

Imagens TEM de pó BLT antes e depois do tratamento por moagem de bolas de alta energia; a e b Micro-size e c e d Tamanho nanométrico

O efeito do tamanho de partícula no pó é mostrado nos padrões de XRD na Fig. 4. Os picos de XRD dos pós foram bem combinados com os picos padrão da estrutura ortorrômbica, embora o tamanho de partícula do pó BLT tenha diminuído. Em comparação com as linhas de difração nítidas com a alta intensidade do pó micro-dimensionado, a do pó micro-dimensionado foi ampliada consideravelmente com intensidade mais baixa devido ao aumento da tensão da rede interna durante o moinho de bolas [23, 26]. Confirmamos que a estrutura Aurivillius indexada assumindo picos significativos (117), (020) e (208) foram mantidos sem quebrar a simetria, apesar da mudança de tamanho de partícula por moagem de bolas de alta energia. O tamanho do cristalito dos produtos foi determinado a partir dos picos mais significativos (117) nos padrões de XRD de acordo com a equação de Scherrer, D = Kλ / β cos θ , onde λ é o comprimento de onda do raio X (1,54056 Å), β é a largura total na metade do máximo (FWHM), θ é o ângulo de Bragg e K é o fator de forma [27]. Seu tamanho de cristalito era de ~ 50 nm. Observamos que as nanopartículas foram distribuídas uniformemente no pó, conforme mostrado na Fig. 2b.

Padrões de difração de raios-X (XRD) de pós: a pó BLT nanométrico e b Pó BLT de tamanho pequeno

O PVDF puro é conhecido por seu α , β , e γ fases cristalinas [28]. Para gerar piezoeletricidade, PVDF convencional deve ser formado no β -Estágio. Investigamos se o β-PVDF foi formado usando um espectrômetro FT-IR, conforme mostrado na Fig. 5. A partir dos picos detectados localizados em 1275 e 840, concluímos que as duas bandas foram atribuídas ao β-PVDF.

Espectrômetro infravermelho com transformada de Fourier (FT-IR) de filme PVDF puro preparado

Além disso, para gerar piezoeletricidade, o filme PVDF deve adquirir uma alta polaridade que depende do arranjo de (–CH ₂ CF ₂ -) unidades no material. Em geral, o PVDF de fase β (β-PVDF) exibe a melhor polaridade entre as três fases cristalinas, pois o β-PVDF possui todos os pólos na mesma direção. Espectro FTIR do filme PVDF na faixa de 1400 a 700 cm ⁻¹ é mostrado na Fig. 5. O resultado exibe picos quase característicos de PVDF. É claro que o pico exclusivo chega a 1275 (CF ₂ curvatura) e 840 cm ⁻¹ (CH ₂ balanço) indicou uma dominante da fase β [29,30,31]. É importante notar que o filme β-PVDF seria formado a uma temperatura moderada acompanhada por evaporação lenta do solvente. Conseqüentemente, os filmes de PVDF de partículas BLT puras e dopadas evaporariam lentamente na placa quente a 60 ° C para criar os PNGs.

Desempenho de geração de energia de PNG com PVDF e pó BLT

Para confirmar o efeito do tamanho da partícula de pó no PNG, medimos o desempenho da geração de tensão sem tratamento de polarização de alto campo elétrico. A Figura 6 mostra a propriedade de geração de voltagem do PNG preparado com PVDF e BLT em pó (micro e nano-dimensionados). Calculamos a parte produtora de energia (área ativa) em contato com o peso no dispositivo PNG (tamanho do dispositivo:3,0 cm × 3,0 cm); a área ativa do PNG era de 4 cm ² . A voltagem gerada foi registrada por 20 s de pressionamento e descompressão com 3 N.

Geração de tensão de circuito aberto de PNG com PVDF e pó durante as condições de prensagem e liberação

Quando a tensão vertical é aplicada às amostras pressionando para cima e para baixo, a energia potencial piezoelétrica é gerada em uma direção lateral. A direção da piezoeletricidade do PVDF puro é negativa ao longo do eixo vertical com polaridade. Independentemente do tamanho da partícula, o dispositivo PNG preparado com os pós PVDF e BLT tinha uma tensão positiva junto com a polaridade do PVDF puro. Após a prensagem das amostras, a tensão de saída foi observada conforme o conteúdo aumentava com o tamanho das partículas dos pós BLT. Além disso, a tensão de saída do PNG foi reduzida com o pó (micro-dimensionado), onde a tensão de saída diminuiu com a prensagem, sugerindo que o tamanho da partícula do pó é necessário para obter o desempenho de saída máximo do nanogerador. Comparado com o pó de tamanho micro, o pó de tamanho nanométrico pode ser perturbado no filme. Entre todas as amostras, o PNG de tamanho nano teve a maior tensão de circuito aberto de 10 V _pk-pk . Depois que a força de tensão foi aplicada às amostras, as amostras PNG mantiveram a produção de energia por aproximadamente 20 s, porque o pó BLT estava presente dentro do PNG. Assumimos que um tempo de recuperação de 10 s é necessário para retornar ao nível zero (Fig. 7).

Tensão de circuito aberto e a geração atual de PVDF puro e compostos de PVDF / Pó durante a flexão conectado ao equipamento de solução IV

Conclusões

Preparamos dispositivos PNG com compostos orgânicos-inorgânicos contendo PVDF e BLT. Todos os PNGs foram testados em dois desempenhos de coleta de energia diferentes (prensagem e dobra) para investigar o desempenho piezoelétrico do PNG sem polarização de alto campo elétrico. Em comparação com o PVDF puro, o PVDF inserido em pó micro-dimensionado exibiu propriedades de geração de energia mais baixas. No entanto, ao diminuir o tamanho da partícula no pó, confirmamos que o desempenho piezoelétrico foi melhorado por um fator de quatro devido à sua grande área de superfície e distribuição uniforme em dispositivos PNG.

Disponibilidade de dados e materiais

Todos os dados que sustentam as conclusões deste artigo estão incluídos no artigo.

Abreviações

PNG:: Nanogerador piezoelétrico
BLT:: Titanato de bismuto modificado com lantânio (Bi _4-X La _X Ti ₃ O ₁₂ )
PVDF:: Fluoreto de polivinilideno)
FE-SEM:: Microscopia eletrônica de varredura por emissão de campo
TEM:: Microscopia eletrônica de transmissão
XRD:: Difração de raios X
FWHM:: Largura total pela metade no máximo
FT-IR:: Transformada de Fourier Infra-vermelho

Fabricação conformada de um tapete de nanofibra eletrofiado em um coletor de hidrogel em forma de cartilagem de orelha 3D baseado em eletrofiação assistida por hidrogel Um circuito de detecção precoce para aumento de resistência de contato de preenchimento resistivo de acesso aleatório à matriz de memória

Nanomateriais

Materiais Poliméricos

biológico

Corante

Especiarias