Perovskite Tanpa Plumbum Menjanjikan Era Baharu Penuaian Tenaga Piezoelektrik

Sepasukan penyelidik telah mencipta filem polimer yang dipenuhi dengan sebatian perovskite chalcogenide yang menjana elektrik apabila ditekankan.

Para penyelidik telah mencipta filem polimer yang diisi dengan sebatian perovskite chalcogenide yang menjana elektrik apabila ditekankan. Fenomena ini dikenali sebagai kesan piezoelektrik, iaitu keupayaan bahan tertentu untuk menghasilkan cas elektrik apabila tekanan mekanikal dikenakan.

Kesan piezoelektrik berlaku pada bahan yang tidak mempunyai simetri struktur kristal. Kristal, seramik, polimer dan bahan biologi seperti tulang, DNA dan pelbagai protein ialah pelbagai jenis bahan piezoelektrik.

Bahan sebegini berpotensi mengumpul tenaga yang berkaitan dengan getaran mekanikal. Perkara terbaik tentang bentuk tenaga ini ialah ia terdapat di sekeliling kita dalam bekalan yang banyak dan boleh diperbaharui secara semula jadi.

Walau bagaimanapun, sebagai nota penyelidikan terkini, bahan piezoelektrik yang berprestasi terbaik cenderung mempunyai unsur kimia plumbum (Pb), yang boleh menyebabkan kanser, meningkatkan risiko tumor otak dan menghalang pembaikan DNA.

Bahan yang mengandungi plumbum adalah berbahaya dan pengawal selia telah mengehadkan penggunaannya untuk melindungi alam sekitar.

Memandangkan ketoksikan plumbum, yang merupakan logam berat, mudah ditempa, wujud secara semula jadi dengan takat lebur yang agak rendah, ia semakin disingkirkan daripada bahan dan peranti.

Oleh itu, matlamat pasukan adalah untuk mencipta bahan yang bebas plumbum dan boleh dibuat dengan murah menggunakan unsur-unsur yang biasa ditemui dalam alam semula jadi.

Jadi, pasukan dari Institut Politeknik Rensselaer (RPI) menggunakan bahan yang bukan sahaja tidak mengandungi plumbum tetapi juga salah satu daripada beberapa yang berprestasi tinggi. Oleh itu, ia adalah calon yang bagus untuk digunakan dalam aplikasi bioperubatan, mesin dan infrastruktur.

Bahan bebas plumbum yang digunakan oleh pasukan adalah milik keluarga perovskite chalcogenide yang mempamerkan piezoelektrik. BaZrS3 ialah komposisi yang digunakan dalam kajian, yang dilaporkan mempunyai tindak balas piezoelektrik yang jelas.

Chalcogenide perovskite telah mendapat banyak perhatian dan kemajuan akhir-akhir ini. Keluarga sebatian ini berkaitan dengan struktur perovskit, yang mempunyai banyak sifat yang menguntungkan seperti ketoksikan rendah, kestabilan tinggi, jurang jalur langsung, kebolehan pengangkutan pembawa yang baik dan penyerapan cahaya yang kuat.

Sifat ini menjadikan perovskit benar-benar menonjol dalam aplikasi seperti fotovoltaik, pengesan foto, peranti pemancar cahaya dan pemangkin foto.

Menariknya, kebanyakan bahan piezoelektrik berprestasi tinggi adalah tidak centrosymmetric dan dengan itu memaparkan kebolehpolaran yang tinggi secara intrinsik. Walau bagaimanapun, banyak perovskit oksida, termasuk yang digunakan dalam kajian, mempamerkan struktur kristal centrosymmetric, yang piezoelektrik lemah dalam bentuk aslinya. Sebatian ini sebenarnya bukan kutub kerana ia sememangnya kekurangan momen dipol bersih.

Momen dipol ialah nama saintifik untuk cara bahan piezoelektrik bertindak apabila di bawah tekanan, iaitu ubah bentuk dengan cara yang menyebabkan ion positif dan ion negatif dalam bahan itu terpisah. Momen dipol ini boleh dimanfaatkan dan dijadikan arus elektrik.

Tetapi tanpa momen dipol bersih, bagaimana pasukan itu mencapai piezoelektrik? Nah, mereka memanfaatkan pembungkusan longgar dalam struktur perovskite chalcogenide untuk mengatasi masalah itu.

Menskalakan Teknologi untuk Aplikasi Tenaga Hijau

Perincian kajian terkini bahawa walaupun centrosymmetric, bahan perovskit chalcogenide tanpa plumbum menjadi boleh dipolarisasi dengan cepat apabila ia berubah bentuk. Ini disebabkan oleh sel unit yang dibungkus longgar, yang mempunyai banyak ruang kosong.

Isipadu ruang kosong yang ketara ini membolehkan anjakan lanjutan ion, yang seterusnya, membolehkan pengurangan simetri dan menghasilkan momen dipol pengantara sesaran yang diperkuatkan.

Pasukan melakukan piezoresponse force microscopy (PFM) pada BaZrS3 untuk mengesahkan piezoelektrik bahan.

PFM ialah model mikroskopi daya atom berfungsi (AFM) yang telah diiktiraf untuk maklumat unik yang ditawarkannya mengenai sifat elektromekanikal pelbagai bahan pada skala nanometer.

Simetri struktur dalam bahan perovskit chalcogenide, mengikut pasukan, boleh dipecahkan dengan mudah di bawah tekanan, yang membawa kepada tindak balas piezoelektrik yang dipertingkatkan. Jadi, setelah disahkan, pasukan itu membangunkan komposit zarah BaZrS3 yang tersebar dalam polikaprolakton.

Bahan baharu yang disintesis mengandungi barium, zirkonium dan sulfur, yang kemudiannya digunakan untuk menuai tenaga daripada gerakan badan manusia dan kuasa peranti elektrokimia dan elektronik.

Pasukan menguji keupayaan bahan untuk menjana elektrik dengan meletakkannya pada pergerakan badan seperti berlari, berjalan, mengetuk jari dan bertepuk tangan. Elektrik yang dihasilkan semasa eksperimen didapati mencukupi untuk menggerakkan bank LED, mengeja RPI.

“Kami teruja dan digalakkan oleh penemuan kami dan potensi mereka untuk menyokong peralihan kepada tenaga hijau.”

– Nikhil Koratkar, Pengarang bersama Kajian

Bahan itu, menurutnya, menukarkan tenaga mekanikal kepada tenaga elektrik. Menurut Koratkar:

“Semakin besar beban tekanan yang dikenakan dan semakin besar luas permukaan yang dikenakan tekanan, semakin besar kesannya.”

Filem penuaian tenaga yang dicipta oleh pasukan hanya setebal 0.3 milimeter dan boleh disepadukan ke dalam pelbagai mesin, peranti dan struktur seperti bangunan dan lebuh raya untuk

Atas ialah kandungan terperinci Perovskite Tanpa Plumbum Menjanjikan Era Baharu Penuaian Tenaga Piezoelektrik. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!