無鉛鈣鈦礦有望開啟壓電能量收集新時代

一組研究人員創造了一種充滿硫族鈣鈦礦化合物的聚合物薄膜，在受到壓力時可以發電。

研究人員創造了一種聚合物薄膜，裡面充滿了硫族鈣鈦礦化合物，在受到壓力時可以發電。這種現象稱為壓電效應，即某些材料在施加機械應力時產生電荷的能力。

壓電效應發生在缺乏晶體結構對稱性的材料。晶體、陶瓷、聚合物和生物物質（例如骨骼、DNA 和各種蛋白質）都是不同種類的壓電材料。

此類材料具有收集與機械振動相關的能量的潛力。這種形式的能源最好的一點是，它在我們周圍供應充足，而且本質上是可再生的。

然而，正如最新研究指出，性能最好的壓電材料往往含有化學元素鉛 (Pb)，它會導致癌症，增加腦瘤的風險，並阻礙 DNA 修復。

含鉛材料是危險的，監管機構已限制其使用以保護環境。

鑑於鉛的毒性，鉛是一種重的、可延展的、天然存在的金屬，熔點相對較低，因此越來越多地在材料和設備中逐步淘汰它。

因此，團隊的目標是創造一種無鉛材料，並且能夠使用自然界中常見的元素以廉價的方式製造。

因此，倫斯勒理工學院 (RPI) 的團隊使用了一種不僅不含鉛而且也是為數不多的高性能材料之一的材料。因此，它是生物醫學應用、機器和基礎設施的絕佳候選者。

團隊使用的無鉛材料屬於具有壓電性的硫系鈣鈦礦家族。 BaZrS3 是研究中使用的成分，據報導具有明顯的壓電響應。

硫族化物鈣鈦礦最近獲得了廣泛的關注和進展。該族化合物與鈣鈦礦結構有關，具有低毒性、高穩定性、直接帶隙、良好的載子傳輸能力和強光吸收等許多有利特性。

這些特性使鈣鈦礦在光伏、光電探測器、發光裝置和光催化劑等應用中真正脫穎而出。

有趣的是，大多數高性能壓電材料都是非中心對稱的，因此表現出本質上的高極化率。然而，許多氧化物鈣鈦礦，包括研究中使用的氧化物鈣鈦礦，表現出中心對稱晶體結構，其原始形式具有弱壓電性。這些化合物實際上是非極性的，因為它們本質上缺乏淨偶極矩。

偶極矩是壓電材料在應力下表現方式的學名，即變形導致材料中的正離子和負離子分離。這個偶極矩可以被利用並轉換為電流。

但是在沒有淨偶極矩的情況下，團隊是如何實現壓電性的呢？好吧，他們利用硫族化物鈣鈦礦結構中的鬆散堆積來克服這個問題。

擴充綠色能源應用技術

最新研究詳細說明，儘管無鉛硫屬化物鈣鈦礦材料具有中心對稱性，但在變形時會很快變得極化。這是由於單元格鬆散堆積，有大量空閒空間。

如此大的空白空間允許離子的擴展位移，這反過來又允許減少對稱性並導致位移介導的偶極矩放大。

團隊對 BaZrS3 進行了壓電響應力顯微鏡 (PFM)，以確認材料的壓電性。

PFM 是一種功能性原子力顯微鏡 (AFM) 模型，因其在奈米尺度上提供有關各種材料的機電特性的獨特資訊而受到認可。

根據團隊的說法，硫屬化物鈣鈦礦材料的結構對稱性在壓力下很容易被破壞，從而增強壓電響應。因此，一旦得到證實，該團隊就開發了分散在聚己內酯中的 BaZrS3 顆粒的複合材料。

合成的新材料含有鋇、鋯和硫，然後用於從人體運動中獲取能量，並為電化學和電子設備提供動力。

團隊透過跑步、行走、敲擊手指和拍手等身體動作來測試該材料的發電能力。實驗期間產生的電力足以為 LED 燈組供電，即 RPI。

「我們對我們的發現及其支持向綠色能源過渡的潛力感到興奮和鼓舞。」

– Nikhil Koratkar，研究合著者

據他介紹，這種材料將機械能轉換為電能。根據 Koratkar 的說法：

「施加的壓力負載越大，施加壓力的表面積越大，效果就越大。」

團隊製造的能量收集薄膜厚度僅為0.3毫米，可整合到各種機器、設備以及建築物和高速公路等結構中

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