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May 18, 2024

Synthese eines stickstoffdotierten, auf reduziertem Graphenoxid basierenden Keramik-Polymer-Verbund-Nanofaserfilms für tragbare Geräteanwendungen

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 15583 (2022) Diesen Artikel zitieren In dieser Studie wurden piezoelektrische Verbund-Nanofaserfilme durch Einbringen von stickstoffdotiertem, reduziertem Graphenoxid hergestellt

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 15583 (2022) Diesen Artikel zitieren

In dieser Studie wurden piezoelektrische Komposit-Nanofaserfilme hergestellt, indem stickstoffdotiertes, reduziertes Graphenoxid als leitfähiges Material in ein P(VDF-TrFE)-Polymer und einen BiScO3-PbTiO3-Keramikverbundstoff eingebracht wurde, wobei ein Elektrospinnverfahren zum Einsatz kam. Stickstoff wurde in rGO dotiert/substituiert, um während des Reduktionsprozesses entstandene Defekte zu entfernen oder zu kompensieren. Ein Elektrospinnverfahren wurde eingesetzt, um piezoelektrische Verbund-Nanofaserfilme unter selbstpolenden Bedingungen zu extrahieren. Interdigitale Elektroden wurden verwendet, um Energie-Harvester vom Planertyp herzustellen, um elektromechanische Energie zu sammeln, die auf den flexiblen Energie-Harvester angewendet wird. Aus dem piezoelektrischen Verbundwerkstoff mit interdigitaler Elektrode wird die effektive dielektrische Permittivität aus der konformen Abbildungsmethode extrahiert. Durch die Einführung von BS-PT-Keramik und N-rGO-Leitern in die piezoelektrischen P(VDF-TrFE)-Verbundnanofaserfilme wurde die effektive dielektrische Permittivität von 8,2 auf 15,5 verbessert. Diese verbesserte effektive Dielektrizitätskonstante ist wahrscheinlich auf die erhöhte elektrische Flussdichte aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit zurückzuführen. Die aus diesem dünnen Verbund-Nanofaserfilm gefertigte Interdigitalelektrode wurde für Anwendungen in tragbaren Geräten entwickelt und getestet. Eine externe mechanische Kraft von 350 N wurde mit einer Frequenz von 0,6 Hz auf den auf Nanofasern basierenden Verbundenergie-Harvester mit interdigitalen Elektroden ausgeübt, die Spitzenspannung und der Spitzenstrom betrugen 13 V bzw. 1,25 μA. Durch die Optimierung der Geräteherstellung betrugen die Leerlaufspannung, die gespeicherte Spannung und die erzeugte Ausgangsleistung 12,4 V, 3,78 V bzw. 6,3 μW.

Piezoelektrische Verbundwerkstoffe auf Basis von Polymeren und Keramiken haben aufgrund ihrer überlegenen elektrischen und mechanischen Eigenschaften wie Flexibilität, Piezoelektrizität und Robustheit große Aufmerksamkeit erregt1,2,3. Im Allgemeinen basieren piezoelektrische Polymere hauptsächlich auf PVDF- und P(VDF-TrFE)-Materialien4,5. Ihre elektrischen Eigenschaften können durch Zugabe von piezoelektrischer Keramik zur Herstellung piezoelektrischer Verbundstrukturen verbessert werden. Obwohl piezoelektrische Verbundwerkstoffe realisiert wurden, bestehen aufgrund ihres Widerstandsverhaltens Einschränkungen bei der Verbesserung ihrer piezoelektrischen Eigenschaften. Um diese Einschränkungen zu überwinden, können piezoelektrischen Verbundwerkstoffen leitfähige Materialien zugesetzt werden, um deren elektrische Eigenschaften zu verbessern. Zweidimensionales (2D) rGO wird häufig als leitendes Material eingesetzt, das leicht mit anderen Komponenten gemischt werden kann, um die elektrischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern6,7,8. Daher kann die Einführung von rGO in piezoelektrische Polymere, einschließlich PVDF und P(VDF-TrFE), zu verbesserten piezoelektrischen Eigenschaften führen9,10. Während des Reduktionsprozesses von rGO werden jedoch viele Defekte induziert, die dessen Elektronentransporteigenschaften beeinträchtigen können. Diese Defekte können für piezoelektrische Anwendungen sehr schädlich sein, da sie das elektrische Feld stören11,12. rGO wurde aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und Flexibilität ausführlich für zweidimensionale Funktionsgeräteanwendungen untersucht13,14. Allerdings vermindern Defekte, die durch den Reduktionsprozess entstehen, die elektrischen Eigenschaften von rGO. Um die verminderten Leitfähigkeitseigenschaften zu überwinden, wurde N in zweidimensionales rGO dotiert/substituiert. Durch Dotierung/Substitution von N können Defekte in rGO behoben werden, was zu einer höheren elektrischen Leitfähigkeit führt6.

Piezoelektrische Nanofaserfilme auf Basis von Polymer- und Keramikbestandteilen bieten im Vergleich zu anderen Verbundstrukturen mehrere Vorteile, wie Flexibilität und Piezoelektrizität13,15. Eine Nanofaserfolie weist aufgrund ihres hohen Seitenverhältnisses im Vergleich zu anderen Verbund- und Keramikmaterialien eine überlegene Flexibilität auf. Zur Herstellung zuverlässiger Nanofaser- und Verbund-Nanofaserstrukturen wurde ein Elektrospinnverfahren entwickelt und eingesetzt. Elektrospinnen ist eine Technik, die durch Anlegen eines elektrischen Feldes Nanofasern aus Polymeren, Keramik und Metallen herstellt. Dieser Prozess kann aus komplexen Molekülen Nanofasern bilden und kann bei niedrigen Temperaturen ablaufen16,17.

Mithilfe des Elektrospinnverfahrens wurden mit N-rGO dotierte/substituierte piezoelektrische Verbundnanofasern auf Basis von P(VDF-TrFE)-Polymer und BS-PT-Keramik hergestellt. Der Elektrospinnprozess hat im Vergleich zu anderen physikalischen Herstellungsprozessen viele Vorteile, da er ein kostengünstiger Herstellungsprozess sein kann, indem piezoelektrische Verbundnanofasern unter Selbstpolungsbedingungen extrahiert werden. Darüber hinaus können hochleitfähige N-rGO- und piezoelektrische Verbundnanofasern während des Herstellungsprozesses vor dem Elektrospinnprozess gut gemischt werden. Infolgedessen können N-rGO-dotierte piezoelektrische Verbundnanofasern für verschiedene Arten von tragbaren Geräteanwendungen eingesetzt werden.

Der Hauptvorteil dieses synthetisierten N-rGO mit zusammengesetzten Nanofasern besteht in der erhöhten Leitfähigkeit von N-rGO im Vergleich zu der von rGO. Stickstoff spielt eine Rolle bei der Beseitigung von Defekten im rGO oder beim Ersatz durch Kohlenstoff in den rGO-Materialien. Daher kann diese erhöhte Leitfähigkeit die Effekte schwebender Elektroden in den piezoelektrischen Verbundmaterialien verbessern. Außerdem können die repräsentativen Ergebnisse dieses Manuskripts im Vergleich zu anderen Arbeiten wie folgt zusammengefasst werden. N-rGO-dotierte piezoelektrische Komposit-Nanofaserkomposite auf Polymer- und BiScO3-PbTiO3-Basis wurden in Form planarer piezoelektrischer Energieernter mit interdigitalen Elektroden hergestellt. Es war das erste Mal, dass über die verbesserten schwebenden Elektrodeneffekte basierend auf den piezoelektrischen Energieernten des Planner-Typs berichtet wurde.

Für die Geräteanwendungen wurden Interdigitalelektroden entworfen und für N-rGO-dotierte/substituierte piezoelektrische Verbundnanofasern auf Basis von P(VDF-TrFE)-Polymer und BS-PT-Keramik eingesetzt. Fast alle tragbaren Geräte basieren auf der Struktur des Planertyps, klassische vertikale Elektroden können für die Geräteanwendungen nicht verwendet werden. Einwirkende mechanische Kräfte können durch die Interdigitalelektrode auf den piezoelektrischen Nanofasern in elektrische Energie umgewandelt werden. Die effektive dielektrische Permittivität kann mithilfe des konformen Abbildungsverfahrens simuliert und berechnet werden. Durch die Extraktion der unterschiedlichen Werte der effektiven dielektrischen Permittivität piezoelektrischer Verbundnanofasern glauben wir, dass N-rGO-dotierte piezoelektrische Nanofasern mit planerartiger Elektrode für die verschiedenen Anwendungen tragbarer Geräte eingesetzt werden können.

In dieser Studie wurden Verbundnanofaserfilme aus P(VDF-TrFE)-Polymeren mit eingebautem N-rGO und BiScO3-PbTiO3-Keramik mittels Elektrospinnen hergestellt. Auf diesen Verbundwerkstoffen basierende flexible piezoelektrische Energieernter wurden für den Einsatz in tragbaren elektronischen Anwendungen untersucht.

Als Rohstoffe kamen Bi2O3, Sc2O3, PbO und TiO2 zum Einsatz. Unter Berücksichtigung des Verflüchtigungsgrads der Bi2O3-Elemente wurden den BS-PT-Zusammensetzungen 0,01 Mol überschüssiges Bi zugesetzt. Die Mischung wurde mit einer stabilisierten Zirkonoxidkugel gemahlen. Anschließend wurde die Mischung kalziniert und in Pulverform gesintert. Die gesinterten Pulver wurden auf eine Größe von weniger als 50 μm kontrolliert. Abschließend wurden die Pulver durch Planetenmahlen in einer Kugelmühle gemahlen.

Stickstoffdotiertes rGO wurde nach einer modifizierten Hummers-Methode hergestellt18. Graphit und NaNO3-Pulver wurden durch Rühren im Bad zu H2SO4 gegeben. Anschließend wurde der Lösung langsam KMnO4 zugesetzt. Den Lösungen wurde entionisiertes Wasser zugesetzt und 1 Stunde lang gerührt, gefolgt von der Zugabe von 10 ml H2O2. Um Oxidationsmittelionen und andere anorganische Verunreinigungen zu entfernen, wurden destilliertes Wasser und eine wässrige HCl-Lösung im Verhältnis 1:10 zugegeben und zentrifugiert, und die Mischung wurde mehrmals gewaschen. Zur Herstellung von rGO wurde der Lösung Hydrazinhydrat zugesetzt. Um stickstoffdotiertes rGO herzustellen, wurden Graphenoxid und NH3NO3 zu einer Ethanollösung gegeben und gerührt. Um das Ethanol zu entfernen, wurde die Lösung auf 60 °C erhitzt. Die getrocknete Mischung wurde kalziniert und mit entionisiertem Wasser und Ethanol gewaschen.

Abbildung 1a zeigt eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses eines flexiblen piezoelektrischen Energie-Harvesters auf Basis einer Nanofaser-Verbundfolie. Zur Herstellung der Verbundlösung wurden P(VDF-TrFE) (Solvay Co. Ltd.), Aceton (Sigma-Aldrich Co. Ltd., Reinheit: 99,5 %) und N,N-Dimethylformamid (DMF, Sigma-Aldrich Co. Ltd.) verwendet. , Ltd., Reinheit: 99,8 %), wurden im Gewichtsverhältnis 2:5:5 gemischt und 24 h gerührt. Anschließend wurden der Mischung BiScO3-PbTiO3 (BS-PT)-Nanopartikel (30 Gew.%) und N-rGO-Pulver (5 Gew.%) zugesetzt und gerührt. Schließlich wurden P(VDF-TrFE)- und P(VDF-TrFE)/BS-PT-Verbundlösungen erhalten. Die Verbundlösung wurde in eine 10-ml-Kunststoffspritze mit einer 21-G-Metalldüse geladen und dann elektrogesponnen. Der Elektrospinnprozess wurde unter Verwendung eines elektrischen Feldes von 1,2 kV/cm, einer Zufuhrrate von 1 ml/h, einem Abstand zwischen der Nadelspitze und dem Kollektor von 12 cm und einer Substrattemperatur von 55 °C durchgeführt.

Diagramme der Herstellungsprozesse für (a) Nanofaser-Verbundfolie und (b) piezoelektrischen Energie-Harvester.

Wie in Abb. 1a gezeigt, wurde der Elektrospinnprozess auf ein Polyimidsubstrat angewendet, das mit einer Interdigitalelektrode beschichtet war, um ein Energiegewinnungsgerät auf Basis von Nanofaserverbundfilmen herzustellen. Abbildung 1b zeigt eine schematische Darstellung des Herstellungsprozesses für einen piezoelektrischen Energie-Harvester mit interdigitalen Elektroden. Die Interdigitalelektrode hatte zwanzig Paare von Cu-Fingern mit Größen und Abständen von 100 µm. Interdigitalelektroden eignen sich zur Messung planarer Kapazitäten. Daher eignen sich diese Elektroden für Energiegewinnungsanwendungen, bei denen eine große Anzahl piezoelektrischer Ladungen entwickelt und gespeichert wird. Nach diesem Prozess wurde Polydimethylsiloxan (PDMS) verwendet, um das Gerät für Stabilität und Schutz einzukapseln. Die Kristallstrukturen der Proben wurden mittels Röntgenbeugung (XRD, Bruker-AXS; New D8-Advance) bestimmt. Zur Untersuchung der Mikrostrukturen von Verbund-Nanofaserfilmen wurde Feldemissions-Rasterelektronenmikroskopie (FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA HD) durchgeführt. Die erzeugte Ausgangsspannung und der erzeugte Ausgangsstrom wurden mit einem Oszilloskop (DSO-X2002A, Agilent Technologies) und einem Femto/Picoammeter (B2981A, Agilent Technologies) analysiert. Die gespeicherte Spannung des Energiegewinnungsgeräts wurde im externen Kondensator eines Vollbrückengleichrichters gemessen.

Abbildung 2a zeigt ein FE-SEM-Bild von P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Verbundnanofaserfilmen. Die zusammengesetzte Nanofaser war lang und glatt und hatte einen Durchmesser von etwa 800 nm. Partikel im Submikrometerbereich waren gut auf der Nanofaser verteilt, was auf eine hohe Kompatibilität zwischen funktionellen Keramikpartikeln im Submikrometerbereich und der N-rGO-dotierten P(VDF-TrFE)-Matrix schließen lässt. In Abb. 2b wurden EDS-Zusammensetzungsanalysedaten in verschiedenen Farben angezeigt. Es wurden unterschiedliche Elementzusammensetzungen festgestellt. Die Zusammensetzung aus C, F, N, O, Bi, Sc, Pb und Ti wurde in P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Verbundnanofaserfilmen verteilt; die entsprechenden Atom- und Gewichtsprozentsätze sind in Tabelle 1 aufgeführt.

(a) FE-SEM-Bild des P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Nanofaser-Verbundfilms, (b) EDS-Daten für den P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Nanofaser-Verbundfilm mit unterschiedlichem Verbundwerkstoff (c) Schematische Darstellung der schwebenden Elektrodenkomponente von N-rGO in Nanofaserstruktur, (d) klare TEM-Bilder von TEM-Bildern eines P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Films.

Abbildung 2c zeigt ein Schema schwebender Elektroden aus leitfähigen N-rGO-Partikeln, die in der Nanofaser-Verbundstruktur enthalten sind. Dispergiertes leitfähiges N-rGO fungiert als schwimmende Elektroden in Verbundwerkstoffen, die dabei helfen, Ladungen von piezoelektrischen Materialien zu sammeln.

Abbildung 2d zeigt die im Masse-Dicken-Kontrastmodus gemessenen TEM-Bilder. Im Hellfeld-Bildmodus Abb. 2c sind die Keramikanteile in den dunklen Bildern zu sehen, während der Polymeranteil in der hellen Farbe zu sehen ist. Daher gehen wir davon aus, dass piezoelektrische BS-PT-Keramikpartikel und leitfähige schwimmende N-rGO-Elektroden in Verbundnanofaserstrukturen die Ausgangsleistung von Energieernten steigern werden.

Röntgenbeugungsmuster (XRD) von P(VDF-TrFE)-, P(VDF-TrFE)/BS-PT- und P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Verbundnanofaserfilmen sind in Abb. dargestellt. 3. P(VDF-TrFE)-Filme zeigen Peaks der β-Phase (110/200) bei 2θ = 19,8°. Diese β-Phasen-Polymerstruktur weist ferroelektrische Eigenschaften auf, die sich aus der Atomanordnung ergeben. XRD-Muster von P(VDF-TrFE)/BS-PT-Verbundnanofaserfilmen zeigten die Bildung der β-Phasen-Polymerstruktur; Die Kristallinität war jedoch geringer als die des P(VDF-TrFE)/BS-PT-Verbundfilms. Die Menge des β-Phasen-Polymers schien während des Herstellungsprozesses abzunehmen. Allerdings blieb nach der Verarbeitung eine kleine Menge des β-Phasen-Polymers zurück. BS-PT-Peaks in XRD-Messungen zeigten, dass piezoelektrische BS-PT-Nanopartikel in P(VDF-TrFE)/BS-PT-Verbundnanofaserfilmen gut dispergiert waren. Dieses Ergebnis legt nahe, dass BS-PT-Keramik-Nanopartikel nicht nur effektiv in P(VDF-TrFE)-Nanofasern dispergiert waren, sondern auch während des Elektrospinnprozesses ungestört blieben.

XRD-Muster von P(VDF-TrFE)-, P(VDF-TrFE)/BS-PT- und P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Nanofaserfilmen.

Abbildung 4a zeigt das XPS-Vermessungsscanspektrum von N-rGO und die chemische Zusammensetzung jedes Elements. Kohlenstoff-, Stickstoff- und Sauerstoffpeaks traten bei etwa 285,2 eV, 399,5 eV und 533,0 eV auf, und die Atomverhältnisse wurden mit 73,9 %, 6,1 % bzw. 20,0 % bestätigt.

(a) XPS-Untersuchung und (b) N 1 s-Scan von synthetisiertem N-rGO und (c) Schichtwiderstand gemäß rGO, N-rGO-Abscheidungstemperatur.

Abbildung 4b zeigt den Bindungszustand von N 1 s. In N-rGO kann der N 1 s-Peak in pyridinähnliches N (398,5 eV), das den am 6-gliedrigen Ring befindlichen Stickstoff darstellt, und pyrrolähnliches N (400,1 eV), das den am Stickstoff in befindlichen Stickstoff darstellt, unterteilt werden ein fünfgliedriger Ring und graphitartige N-Peaks (402,7 eV)19. Das Bindungsverhältnis von Pyridin-ähnlichem N, Pyrrol-ähnlichem N und Graphit-ähnlichem N betrug ungefähr 21,2 %, 51,3 % bzw. 27,5 %.

Abbildung 4c zeigt den Schichtwiderstand von rGO- und N-rGO-Filmen nach dem Rapid Thermal Annealing (RTA)-Prozess. Als Ergebnis der Durchführung des RTA-Prozesses bei 700 °C betrug der niedrigste Wert des Schichtwiderstands des rGO-Films 5,29 kΩ/sq. Der N-rGO-Film hatte 3,37 kΩ/sq. Bei allen Verarbeitungstemperaturen war der Schichtwiderstand des N-rGO-Films niedriger als der des rGO-Films. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit von N-rGO wird daher erwartet, dass die auf N-rGO basierenden piezoelektrischen Verbund-Nanofaserfilme verbesserte elektrische Eigenschaften und Piezoelektrizität aufweisen.

Abbildung 5a zeigt ein Schema eines flexiblen PI-Substrat-basierten Verbund-Nanofaser-Energie-Harvesters mit interdigitalen Elektroden. Eine konforme Abbildungstechnik wurde angewendet, um die effektive dielektrische Permittivität aus der analysierten Kapazität der Interdigitalelektrode zu extrahieren. Die konforme Abbildungsanalyse ermöglicht die Änderung der elektrischen Feldverteilung von rechteckigen zu kreisförmigen Koordinaten. Als Ergebnis konnte die effektive dielektrische Permittivität des Verbund-Nanofaserfilms und des PI-Substrats, εn und εs, geschätzt werden, wie in Abb. 5a dargestellt. Die unabdingbare Voraussetzung für die Verwendung einer konformen Abbildung auf ein zweischichtiges Substrat ist εn > εs. Andernfalls kann das elektrische Feld nicht innerhalb der zusammengesetzten Nanofaserschicht begrenzt werden. Wie in Abb. 5a gezeigt, ist W die Fingerbreite, G der Abstand zwischen den Fingern, λ die räumliche Wellenlänge des Interdigitalkondensators (IDC), t die Dicke des Metallelektrodenmusters und hn die Höhe des Nanofaserfilm und Substrat. Wir haben analytische Modelle des IDC nach der Arbeit von Gevorgian20,21 erhalten. Es wurden modifizierte Igreja-Gleichungen für die Kapazitäten der inneren (CI) und äußeren (CE) Elektroden ermittelt, wie in Abb. 5b dargestellt, wobei angenommen wurde, dass die Substratdicke nicht unendlich und die Luftschicht unter dem Substrat unendlich dick war. Gleichungen des IDC können dann wie folgt ausgedrückt werden21:

wobei K die unten definierten elliptischen Integrale sind; k und k′ sind Argumente jedes unten definierten elliptischen Integrals; \({C}_{I,n}\), \({C}_{I,s}\), \({C}_{E,n}\) und \({C}_{ E,s}\) sind die inneren und äußeren Elektrodenkapazitäten des Nanofaserfilms (n) bzw. des Substrats (s); L ist die Länge der Finger; εn ist die effektive dielektrische Permittivität des Nanofaserfilms; und εs ist die effektive dielektrische Permittivität des Substrats. Darüber hinaus ist die Beziehung zwischen den Modulen der elliptischen Integrale k und k' wie folgt:

(a) Querschnittsansicht eines zweischichtigen Substrats für IDC, (b) Ersatzschaltbild für IDC und (c) effektive dielektrische Permittivität von zusammengesetzten Nanofaserfilmen.

Diese konforme Kartierungsanalyse ermöglichte die Berechnung der effektiven dielektrischen Permittivität. Die extrahierte Dielektrizitätskonstante betrug, wie in Abb. 5c dargestellt, ungefähr 8,2, 12,3, 13,9 und 15,5 für P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE)/BS-PT, P(VDF-TrFE)/BS-PT/ rGO bzw. P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO. Die höhere effektive dielektrische Permittivität von P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO wurde auf das Verhalten der schwebenden Elektrode zurückgeführt, wie in Abb. 2b beschrieben. Die schwebende N-rGO-Elektrode in der zusammengesetzten Nanofaser sorgt dafür, dass Ladungen leichter von Interdigitalelektroden angezogen und gesammelt werden. Daher wurde die effektive dielektrische Permittivität aufgrund erhöhter elektrischer Flussdichten aufgrund der erhöhten Ladung in Interdigitalelektroden verbessert. Darüber hinaus ist aufgrund der hohen Leitfähigkeit von N-rGO zu erkennen, dass die Ladungsbildung im Verbundfilm verstärkt wird und die dielektrischen Eigenschaften im Vergleich zu denen von rGO verbessert werden.

Abbildung 6a zeigt eine schematische Darstellung des Messsystems für den Energy Harvester. Das mechanische Kraftsystem war mit einem Energie-Harvester mit Schaltkreissystem verbunden und wurde von einem Computer gesteuert. Eine externe mechanische Kraft von 350 N wurde mit interdigitalen Elektroden mit einer Frequenz von 0,6 Hz auf die Verbundnanofaser ausgeübt. Die erzeugte Ausgangsleistung wurde vom Computer aufgezeichnet. Abbildung 6b und c zeigen wiederholt positive und negative Ausgangsspannungen und -ströme, die während des kontinuierlichen Drückens und Lösens der externen mechanischen Kraft für P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, P(VDF-TrFE)/BS–PT/ erzeugt werden. N-rGO. Die erzeugte Leerlaufspannung und der Kurzschlussstrom wurden gemessen und aufgezeichnet. Die Spitzenspannung und der Spitzenstrom des Energie-Harvesters auf Basis des Nanofaser-Verbundfilms betrugen 11,2 V und 1,09 μA in P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, 13 V und 1,25 μA in P(VDF-TrFE)/BS– PT/N-rGO. Positive Werte von Spannungen und Strömen werden der ausgeübten Spannung zugeschrieben, während negative Werte der Entspannung von Spannung zugeschrieben werden. Daher sind negative Werte immer kleiner als positive Werte.

(a) Schematische Darstellung des Messsystems sowie der Leerlaufspannung und des Kurzschlussstroms von (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, (c) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N -rGO-Energieernter basierend auf Verbund-Nanofaserfolien.

Abbildung 7a zeigt gemessene Ausgangsspannungen und -ströme des Energie-Harvesters basierend auf der Nanofaser-Verbundfolie mit unterschiedlichen Belastungswiderständen. Um die erzeugte Ausgangsleistung des Energy-Harvesting-Systems zu messen, wurde ein Lastwiderstand oder Kondensator verwendet, um die maximale Ausgangsleistung und Energie zu messen. Die maximale Leistungsdichte wurde durch Optimierung des Lastwiderstandes erreicht. Durch Variation des Lastwiderstands wurde der Ausgangslaststrom von 1,27 auf 0,2 μA gesenkt und die Ausgangslastspannung von 0,15 auf 13,2 V erhöht.

(a) Ausgangsspannung und -strom, (b) Leistung, (c) gespeicherte Spannung und (d) Zuverlässigkeit des Energie-Harvesters aus Nanofaser-Verbundfolie.

Abbildung 7b zeigt die vom Energy Harvester erzeugte Ausgangsleistung. Die Ausgangsleistung wurde aus der Spannung und dem Strom an der Last berechnet. Die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom wurden an einem externen Lastwiderstand im Bereich von 100 kΩ bis 500 MΩ gemessen, der an den Energie-Harvester aus Verbund-Nanofaserfolie angeschlossen war. Die Ausgangsleistung kann ausgedrückt werden als:

Dabei sind IL und VL der Ausgangsstrom bzw. die Ausgangsspannung am Lastwiderstand. Wie in Abb. 7b dargestellt, stieg die Ausgangsleistung des Energy Harvesters zunächst an und verringerte sich dann. Die maximale Ausgangsleistung betrug 6,3 μW bei einem optimierten Lastwiderstand von 37 MΩ, entsprechend einer Spannung von 9,27 V und einem Strom von 0,68 μA. Ab diesem Spitzenwert nahm die erzeugte Ausgangsleistung ab. Darüber hinaus kann die Leistungsdichte ausgedrückt werden als:

Die erzeugte Ausgangsleistung des piezoelektrischen Energie-Harvesters auf Basis des Nanofaser-Verbundfilms betrug 0,63 mW/cm3.

Der Laststrom kann ausgedrückt werden als:

wobei Rpiezo und RL die Widerstände des Verbund-Nanofaserfilms bzw. der Last sind. Daher ist Gl. (5) kann ausgedrückt werden als:

Der Maximalwert von PL tritt beim Minimalwert des Nenners auf, und daher kann die Ableitung des Nenners von PL wie folgt ausgedrückt werden:

Folglich tritt der maximale PL-Wert auf, wenn Rpiezo = RL. In unserer Studie wurde der optimierte Lastwiderstand mit 37 MΩ gemessen, und daher wird gemäß der obigen Formel der Widerstand des piezoelektrischen Energiesammlers \({R}_{piezo}\) auf 37 MΩ geschätzt .

Die Abbildungen 7c und d zeigen die gespeicherten Spannungs- und Zuverlässigkeitsergebnisse des Energie-Harvesters basierend auf dem Nanofaser-Verbundfilm. Die gespeicherte Spannung des Energy Harvesters stieg bei Einwirkung mechanischer Kräfte auf bis zu 3,78 V. Die Ausgangseigenschaften der Verbund-Nanofaserfolie wurden mit anderen piezoelektrischen Verbundwerkstoffen aus Polymer/Keramik verglichen und sind in Tabelle 222,23,24,25,26 zusammengefasst. Wie in Tabelle 2 gezeigt, wurde im Vergleich zu anderen Untersuchungen hochleitfähiges N-rGO in piezoelektrische Verbundnanofasern eingebracht, um die elektromechanischen Eigenschaften zu verbessern, die im Energieerntegerät zum Einsatz kamen. Daher konnte die Ausgangsenergie des Energie-Harvesters im Vergleich zu anderen aktuellen Ergebnissen deutlich gesteigert werden. Das Ergebnis wurde verglichen und in Tabelle 2 aufgeführt.

Periodische externe mechanische Kräfte wurden angewendet, um die Zuverlässigkeit der Ausgangsleistung des Verbund-Nanofaser-Energiegewinnungssystems zu untersuchen. Mehr als 1000 Zyklen mechanischer Kräfte wurden auf den Energie-Harvester auf Verbund-Nanofaser-Basis ausgeübt. Die ausgeübte mechanische Kraft betrug etwa 300 N bei einer Frequenz von 1,5 Hz. Die erzeugte Spannung wurde gleichzeitig mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Der flexible piezoelektrische Energie-Harvester zeigte auch bei konstantem Außendruck eine stabile Ausgangsleistung. Die Ergebnisse zeigen, dass der Energie-Harvester auf Basis des Nanofaser-Verbundfilms eine hervorragende Ausgangsleistung ohne jegliche Ermüdung aufweist.

Abbildung 8 zeigt die Ausgabeleistung tragbarer Geräte bei verschiedenen Belastungsfrequenzen in P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO- und P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO-Verbundnanofaserfilmen. Mit zunehmender Ladefrequenz verringerten sich die Ausgangsspannungen und der Ausgangsstrom. In P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO wurden die Ausgangsspannungen und der Ausgangsstrom von 11,2 V, 1,09 μA auf 7,2 V, 0,72 μA und in P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO verringert Verbundnanofaserfolie sank sie von 13,3 V und 1,29 μA auf 9,3 V und 0,91 μA. P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO zeigte bei allen Ladefrequenzen eine bessere Ausgabeleistung als P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO. Infolgedessen wurde nach dem Stressabbau vor der Erholung Stress ausgeübt, was zu einer verringerten Ausgangsleistung führte.

Leerlaufspannung und Kurzschlussstrom bei 0,6, 1,2 und 1,8 Hz für (a), (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO und (c), (d) P(VDF-TrFE)/BS -PT/N-rGO piezoelektrische Verbund-Nanofaserfilme.

Abbildung 9 zeigt die gemessene Ausgangsspannung und das hergestellte Gerät unter Alltagsbedingungen. Das hergestellte Gerät wurde unter Tritt-, Klopf- und Klatschbedingungen getestet. Die Ausgangsspannungen betrugen 16,7 V und 3,4 V im gestuften und gedrückten Zustand des Geräts. Beim Klatschen der Hand konnte eine Ausgangsspannung von bis zu 7,3 V erhalten werden, und es wird eine zufällige Ausgangsspannung gemessen. Dieses Ergebnis ist auf den unregelmäßigen Stoß zurückzuführen. Die Messbedingungen wurden bei 23 °C, 47 % Temperatur und Luftfeuchtigkeit betrieben.

Ausgangsspannung beim (a) Drücken mit der Ferse, (b) Schlagen mit dem Finger und (c) beim Klatschen mit der Handfläche auf das Gerät und (d) auf das hergestellte Gerät.

In dieser Studie wurden N-rGO-dotierte P(VDF-TrFE)/BiScO3-PbTiO3-basierte Komposit-Nanofaserfilme mittels Elektrospinnen hergestellt. Leitfähiges N-rGO wurde als schwebendes Elektrodenmaterial für das P(VDF-TrFE)-Polymer und den BiScO3-PbTiO3-Polymer-Keramik-Verbundstoff dotiert. Darüber hinaus konnte anhand der erzeugten Ausgangsleistung mithilfe der Impedanzanpassung der maximale Wert der Leistungsdichte berechnet werden. Dieser Energie-Harvester auf Verbund-Nanofaser-Basis zeigte aufgrund von Floating-Elektroden-Effekten eine verbesserte Ausgangsleistung. Es wurde eine Interdigitalelektrode entwickelt und getestet, bei der es sich um eine wirksame Elektrodenstruktur für den Einsatz in tragbaren Geräteanwendungen handelt. Die erzeugte Ausgangsleistung wurde durch die Optimierung des Herstellungsprozesses und des interdigitalen Elektrodendesigns maximiert. Die erhaltene Leerlaufspannung, die gespeicherte Spannung und die erzeugte Ausgangsleistung betrugen 12,4 V, 3,78 V bzw. 6,3 μW. Infolgedessen verbesserten schwebende Elektroden in der Verbundnanofaser die Ausgangsleistung und die effektive dielektrische Permittivität.

Alle während dieser Studie generierten oder analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel enthalten.

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Diese Studie wurde durch das Human Resources Development (Nr. 20214000000280) des Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning (KETEP) unterstützt, das vom Ministerium für Handel, Industrie und Energie der koreanischen Regierung finanziert wurde, und wurde vom MSIT (Ministerium für Wissenschaft und Wissenschaft) unterstützt ICT), Korea, im Rahmen des ITRC (Information Technology Research Center)-Unterstützungsprogramms (IITP-2022-2020-0-01655), das vom IITP (Institute of Information and Communications Technology Planning and Evaluation) überwacht wird.

Fakultät für Elektrotechnik und Elektronik, Chung-Ang-Universität, 84 Heukseok-Ro, Dong-Jak Gu, Seoul, 06974, Republik Korea

Jae-Hoon Ji & Jung-Hyuk Koh

Abteilung für intelligente Energie und Industrie, Chung-Ang-Universität, Heukseok-ro, Seoul, 06974, Republik Korea

Gwangseop Lee & Jung-Hyuk Koh

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JH.J. und JH.K. schrieb den Haupttext des Manuskripts. JH.J. vorbereitete Feigen. 1, 3–5 und JH.J. und vom GL erstellte Abbildungen. 2–9 und Tabellen 1, 2. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jung-Hyuk Koh.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ji, JH., Lee, G. & Koh, JH. Synthese eines stickstoffdotierten, auf reduziertem Graphenoxid basierenden Keramik-Polymer-Verbund-Nanofaserfilms für tragbare Geräteanwendungen. Sci Rep 12, 15583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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Eingegangen: 28. Juni 2022

Angenommen: 25. August 2022

Veröffentlicht: 16. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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