无铅钙钛矿有望开启压电能量收集新时代

一组研究人员创造了一种充满硫族钙钛矿化合物的聚合物薄膜，在受到压力时可以发电。

研究人员创造了一种聚合物薄膜，里面充满了硫族钙钛矿化合物，在受到压力时可以发电。这种现象称为压电效应，即某些材料在施加机械应力时产生电荷的能力。

压电效应发生在缺乏晶体结构对称性的材料中。晶体、陶瓷、聚合物和生物物质（例如骨骼、DNA 和各种蛋白质）都是不同种类的压电材料。

此类材料具有收集与机械振动相关的能量的潜力。这种形式的能源最好的一点是，它在我们周围供应充足，而且本质上是可再生的。

然而，正如最新研究指出，性能最好的压电材料往往含有化学元素铅 (Pb)，它会导致癌症，增加患脑瘤的风险，并阻碍 DNA 修复。

含铅材料是危险的，监管机构已限制其使用以保护环境。

鉴于铅的毒性，铅是一种重的、可延展的、天然存在的金属，熔点相对较低，因此越来越多地在材料和设备中逐步淘汰它。

因此，团队的目标是创造一种无铅材料，并且能够使用自然界中常见的元素以廉价的方式制造。

因此，伦斯勒理工学院 (RPI) 的团队使用了一种不仅不含铅而且也是为数不多的高性能材料之一的材料。因此，它是生物医学应用、机器和基础设施的绝佳候选者。

团队使用的无铅材料属于具有压电性的硫系钙钛矿家族。 BaZrS3 是研究中使用的成分，据报道具有明显的压电响应。

硫族化物钙钛矿最近获得了广泛的关注和进展。该族化合物与钙钛矿结构有关，具有低毒性、高稳定性、直接带隙、良好的载流子传输能力和强光吸收等许多有利特性。

这些特性使钙钛矿在光伏、光电探测器、发光器件和光催化剂等应用中真正脱颖而出。

有趣的是，大多数高性能压电材料都是非中心对称的，因此表现出本质上的高极化率。然而，许多氧化物钙钛矿，包括研究中使用的氧化物钙钛矿，表现出中心对称晶体结构，其原始形式具有弱压电性。这些化合物实际上是非极性的，因为它们本质上缺乏净偶极矩。

偶极矩是压电材料在应力下表现方式的学名，即变形导致材料中的正离子和负离子分离。这个偶极矩可以被利用并转化为电流。

但是在没有净偶极矩的情况下，团队是如何实现压电性的呢？好吧，他们利用硫族化物钙钛矿结构中的松散堆积来克服这个问题。

扩展绿色能源应用技术

最新研究详细说明，尽管无铅硫属化物钙钛矿材料具有中心对称性，但在变形时会很快变得极化。这是由于单元格松散堆积，有大量空闲空间。

如此大的空白空间允许离子的扩展位移，这反过来又允许减少对称性并导致位移介导的偶极矩放大。

团队对 BaZrS3 进行了压电响应力显微镜 (PFM)，以确认材料的压电性。

PFM 是一种功能性原子力显微镜 (AFM) 模型，因其在纳米尺度上提供有关各种材料的机电特性的独特信息而受到认可。

根据团队的说法，硫属化物钙钛矿材料的结构对称性在压力下很容易被破坏，从而增强压电响应。因此，一旦得到证实，该团队就开发了分散在聚己内酯中的 BaZrS3 颗粒的复合材料。

合成的新材料含有钡、锆和硫，然后用于从人体运动中获取能量，并为电化学和电子设备提供动力。

团队通过跑步、行走、敲击手指和拍手等身体动作来测试该材料的发电能力。实验期间产生的电力足以为 LED 灯组供电，即 RPI。

“我们对我们的发现及其支持向绿色能源过渡的潜力感到兴奋和鼓舞。”

– Nikhil Koratkar，研究合著者

据他介绍，这种材料将机械能转化为电能。根据 Koratkar 的说法：

“施加的压力负载越大，施加压力的表面积越大，效果就越大。”

团队制造的能量收集薄膜厚度仅为0.3毫米，可以集成到各种机器、设备以及建筑物和高速公路等结构中

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