Bleifreier Perowskit verspricht eine neue Ära der piezoelektrischen Energiegewinnung

Ein Forscherteam hat einen mit Chalkogenid-Perowskit-Verbindung gefüllten Polymerfilm geschaffen, der bei Belastung Strom erzeugt.

Forscher haben einen Polymerfilm hergestellt, der mit einer Chalkogenid-Perowskit-Verbindung gefüllt ist und bei Belastung Strom erzeugt. Dieses Phänomen ist als piezoelektrischer Effekt bekannt, bei dem es sich einfach um die Fähigkeit bestimmter Materialien handelt, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen.

Der piezoelektrische Effekt tritt in Materialien auf, denen die Kristallstruktursymmetrie fehlt. Kristalle, Keramik, Polymere und biologische Materie wie Knochen, DNA und verschiedene Proteine ​​sind verschiedene Arten von piezoelektrischen Materialien.

Solche Materialien haben das Potenzial, die mit mechanischen Vibrationen verbundene Energie zu sammeln. Das Beste an dieser Energieform ist, dass sie überall um uns herum in reichlicher Menge vorhanden ist und von Natur aus erneuerbar ist.

Wie jedoch die neuesten Forschungsergebnisse zeigen, enthalten piezoelektrische Materialien mit der besten Leistung tendenziell das chemische Element Blei (Pb), das Krebs verursachen, das Risiko von Hirntumoren erhöhen und die DNA-Reparatur behindern kann.

Materialien, die Blei enthalten, sind gefährlich und die Aufsichtsbehörden haben ihre Verwendung zum Schutz der Umwelt eingeschränkt.

Angesichts der Toxizität von Blei, einem schweren, formbaren, natürlich vorkommenden Metall mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, wird es zunehmend aus Materialien und Geräten entfernt.

Ziel des Teams war es daher, ein Material zu schaffen, das bleifrei ist und kostengünstig aus Elementen hergestellt werden kann, die häufig in der Natur vorkommen.

Deshalb verwendete das Team des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ein Material, das nicht nur kein Blei enthält, sondern auch eines der wenigen Hochleistungsmaterialien ist. Daher ist es ein großartiger Kandidat für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen, Maschinen und Infrastruktur.

Das bleifreie Material, das das Team verwendete, gehört zur Familie der Chalkogenid-Perowskite und weist Piezoelektrizität auf. BaZrS3 war die in der Studie verwendete Zusammensetzung, die Berichten zufolge eine ausgeprägte piezoelektrische Reaktion aufweist.

Chalkogenid-Perowskite haben in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit und Fortschritte erregt. Diese Verbindungsfamilie ist mit Perowskitstrukturen verwandt, die viele günstige Eigenschaften wie geringe Toxizität, hohe Stabilität, direkte Bandlücken, gute Ladungsträgertransportfähigkeiten und starke Lichtabsorption aufweisen.

Diese Eigenschaften zeichnen Perowskite in Anwendungen wie Photovoltaik, Fotodetektoren, lichtemittierenden Geräten und Fotokatalysatoren aus.

Interessanterweise sind die meisten piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien nicht zentrosymmetrisch und weisen daher eine intrinsisch hohe Polarisierbarkeit auf. Allerdings weisen viele Oxidperowskite, einschließlich des in der Studie verwendeten, eine zentrosymmetrische Kristallstruktur auf, die in ihrer ursprünglichen Form schwach piezoelektrisch ist. Diese Verbindungen sind tatsächlich unpolar, da ihnen von Natur aus ein Nettodipolmoment fehlt.

Das Dipolmoment ist der wissenschaftliche Name für die Art und Weise, wie sich piezoelektrische Materialien unter Spannung verhalten. Dabei handelt es sich um eine Verformung, die zur Trennung positiver und negativer Ionen im Material führt. Dieses Dipolmoment kann genutzt und in elektrischen Strom umgewandelt werden.

Aber wie hat das Team ohne Netto-Dipolmoment die Piezoelektrizität erreicht? Nun, sie nutzen die lockere Packung innerhalb der Chalkogenid-Perowskit-Struktur, um das Problem zu lösen.

Skalierung der Technologie für grüne Energieanwendungen

Die neueste Studie zeigt, dass bleifreie Chalkogenid-Perowskit-Materialien, obwohl sie zentrosymmetrisch sind, bei Verformung sehr schnell polarisierbar werden. Dies ist auf eine locker gepackte Elementarzelle zurückzuführen, die viel freien Platz aufweist.

Dieses beträchtliche Volumen an leerem Raum ermöglicht eine erweiterte Verschiebung von Ionen, was wiederum eine Verringerung der Symmetrie ermöglicht und zu einem verstärkten, durch die Verschiebung vermittelten Dipolmoment führt.

Das Team führte eine Piezoreaktionskraftmikroskopie (PFM) an BaZrS3 durch, um die Piezoelektrizität des Materials zu bestätigen.

PFM ist ein Modell der funktionellen Rasterkraftmikroskopie (AFM), das für seine einzigartigen Informationen über die elektromechanischen Eigenschaften verschiedener Materialien im Nanometerbereich bekannt ist.

Die strukturelle Symmetrie im Chalkogenid-Perowskit-Material kann laut Team unter Belastung leicht gebrochen werden, was zu einer verbesserten piezoelektrischen Reaktion führt. Nach der Bestätigung entwickelte das Team Verbundstoffe aus BaZrS3-Partikeln, die in Polycaprolacton dispergiert waren.

Das neu synthetisierte Material enthält Barium, Zirkonium und Schwefel, die dann verwendet wurden, um Energie aus der Bewegung des menschlichen Körpers zu gewinnen und elektrochemische und elektronische Geräte anzutreiben.

Das Team testete die Fähigkeit des Materials, Strom zu erzeugen, indem es es Körperbewegungen wie Laufen, Gehen, Fingertippen und Klatschen aussetzte. Es wurde festgestellt, dass der während des Experiments erzeugte Strom ausreichte, um LED-Banken mit Strom zu versorgen, was RPI bedeutet.

„Wir sind begeistert und ermutigt von unseren Erkenntnissen und ihrem Potenzial, den Übergang zu grüner Energie zu unterstützen.“

– Nikhil Koratkar, Co-Autor der Studie

Das Material wandelt seiner Meinung nach mechanische Energie in elektrische Energie um. Laut Koratkar:

„Je größer die ausgeübte Druckbelastung und je größer die Fläche, auf die der Druck ausgeübt wird, desto größer ist die Wirkung.“

Die vom Team erstellte Energiegewinnungsfolie ist nur 0,3 Millimeter dick und kann in verschiedene Maschinen, Geräte und Strukturen wie Gebäude und Autobahnen integriert werden

Das obige ist der detaillierte Inhalt vonBleifreier Perowskit verspricht eine neue Ära der piezoelektrischen Energiegewinnung. Für weitere Informationen folgen Sie bitte anderen verwandten Artikeln auf der PHP chinesischen Website!