La pérovskite sans plomb promet une nouvelle ère de récupération d’énergie piézoélectrique

Une équipe de chercheurs a créé un film polymère rempli de composé chalcogénure pérovskite qui génère de l'électricité lorsqu'il est stressé.

Les chercheurs ont créé un film polymère rempli d'un composé chalcogénure pérovskite qui génère de l'électricité lorsqu'il est stressé. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet piézoélectrique, qui est simplement la capacité de certains matériaux à générer une charge électrique lorsqu'une contrainte mécanique est appliquée.

L'effet piézoélectrique se produit dans les matériaux dépourvus de symétrie structurelle cristalline. Les cristaux, les céramiques, les polymères et les matières biologiques telles que les os, l'ADN et diverses protéines sont différents types de matériaux piézoélectriques.

De tels matériaux ont le potentiel de collecter l'énergie liée aux vibrations mécaniques. La meilleure chose à propos de cette forme d’énergie est qu’elle est présente tout autour de nous en abondance et qu’elle est renouvelable par nature.

Cependant, comme le notent les dernières recherches, les matériaux piézoélectriques les plus performants ont tendance à contenir l'élément chimique plomb (Pb), qui peut provoquer le cancer, augmenter le risque de tumeurs cérébrales et entraver la réparation de l'ADN.

Les matériaux contenant du plomb sont dangereux et les régulateurs ont réduit leur utilisation pour protéger l'environnement.

Compte tenu de la toxicité du plomb, qui est un métal lourd et malléable d'origine naturelle avec un point de fusion relativement bas, il est de plus en plus progressivement éliminé des matériaux et des appareils.

Par conséquent, l'objectif de l'équipe était de créer un matériau sans plomb et pouvant être fabriqué à moindre coût à partir d'éléments que l'on trouve couramment dans la nature.

L'équipe de l'Institut polytechnique de Rensselaer (RPI) a donc utilisé un matériau qui non seulement ne contient pas de plomb, mais qui est également l'un des rares à être performant. C'est donc un excellent candidat pour une utilisation dans les applications, les machines et les infrastructures biomédicales.

Le matériau sans plomb utilisé par l'équipe appartient à la famille des chalcogénures pérovskites présentant une piézoélectricité. BaZrS3 était la composition utilisée dans l'étude, qui aurait une réponse piézoélectrique prononcée.

Les pérovskites de chalcogénure ont attiré beaucoup d'attention et de progrès ces derniers temps. Cette famille de composés est liée aux structures pérovskites, qui possèdent de nombreuses propriétés favorables telles qu'une faible toxicité, une stabilité élevée, des bandes interdites directes, de bonnes capacités de transport de porteurs et une forte absorption de la lumière.

Ces propriétés distinguent vraiment les pérovskites dans des applications telles que le photovoltaïque, les photodétecteurs, les dispositifs électroluminescents et les photocatalyseurs.

Il est intéressant de noter que la plupart des matériaux piézoélectriques hautes performances ne sont pas centrosymétriques et affichent donc une polarisabilité intrinsèquement élevée. Cependant, de nombreux pérovskites d'oxyde, y compris celui utilisé dans l'étude, présentent une structure cristalline centrosymétrique, faiblement piézoélectrique dans sa forme primitive. Ces composés sont en fait non polaires car ils manquent intrinsèquement de moment dipolaire net.

Le moment dipolaire est le nom scientifique désignant la façon dont les matériaux piézoélectriques se comportent lorsqu'ils sont soumis à une contrainte, c'est-à-dire une déformation qui provoque la séparation des ions positifs et des ions négatifs du matériau. Ce moment dipolaire peut être exploité et transformé en courant électrique.

Mais sans moment dipolaire net, comment l'équipe a-t-elle atteint la piézoélectricité ? Eh bien, ils exploitent l’emballage lâche au sein de la structure de la pérovskite de chalcogénure pour surmonter le problème.

Développer la technologie pour les applications d'énergie verte

La dernière étude détaille que, bien qu'ils soient centrosymétriques, les matériaux pérovskites à base de chalcogénure sans plomb deviennent polarisables très rapidement lorsqu'ils sont déformés. Cela est dû à une cellule unitaire peu remplie, qui a beaucoup d'espace vacant.

Ce volume important d'espace vide permet un déplacement étendu des ions, ce qui, à son tour, permet la réduction de la symétrie et entraîne un moment dipolaire médié par le déplacement amplifié.

L'équipe a réalisé une microscopie à force de réponse piézoélectrique (PFM) sur BaZrS3 pour confirmer la piézoélectricité du matériau.

PFM est un modèle fonctionnel de microscopie à force atomique (AFM) reconnu pour les informations uniques qu'il offre sur les propriétés électromécaniques de divers matériaux à l'échelle nanométrique.

La symétrie structurelle dans le matériau pérovskite de chalcogénure, selon l'équipe, peut être facilement brisée sous contrainte, ce qui conduit à une réponse piézoélectrique améliorée. Ainsi, une fois confirmée, l’équipe a développé des composites de particules BaZrS3 dispersées dans de la polycaprolactone.

Le nouveau matériau synthétisé contient du baryum, du zirconium et du soufre, qui ont ensuite été utilisés pour récupérer l'énergie du mouvement du corps humain et alimenter des appareils électrochimiques et électroniques.

L'équipe a testé la capacité du matériau à générer de l'électricité en le soumettant à des mouvements corporels comme courir, marcher, taper du doigt et applaudir. L'électricité produite au cours de l'expérience s'est avérée suffisante pour alimenter les banques de LED, ce qui correspond au RPI.

«Nous sommes enthousiasmés et encouragés par nos découvertes et leur potentiel à soutenir la transition vers l'énergie verte.»

– Nikhil Koratkar, co-auteur de l'étude

Le matériau, selon lui, convertit l'énergie mécanique en énergie électrique. Selon Koratkar :

«Plus la charge de pression appliquée est grande et plus la surface sur laquelle la pression est appliquée est grande, plus l'effet est important.»

Le film de récupération d'énergie créé par l'équipe n'a que 0,3 millimètre d'épaisseur et peut être intégré dans diverses machines, appareils et structures comme des bâtiments et des autoroutes pour

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