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May 18, 2024

Síntesis de una película de nanofibras compuesta de polímero cerámico a base de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno para aplicaciones de dispositivos portátiles

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 15583 (2022) Citar este artículo En este estudio, se fabricaron películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas mediante la introducción de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 15583 (2022) Citar este artículo

En este estudio, se fabricaron películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas introduciendo óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno como material conductor en un polímero P (VDF-TrFE) y un compuesto cerámico BiScO3-PbTiO3 empleando un proceso de electrohilado. Se dopó/sustituyó nitrógeno en rGO para eliminar o compensar los defectos formados durante el proceso de reducción. Se empleó un proceso de electrohilado para extraer películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas en condiciones de autopolarización. Se emplearon electrodos interdigitales para fabricar recolectores de energía de tipo planificador para recolectar la energía electromecánica aplicada al recolector de energía flexible. Del compuesto piezoeléctrico con electrodo interdigital, se extrae la permitividad dieléctrica efectiva del método de mapeo conforme. Al introducir cerámicas BS-PT y conductores N-rGO en las películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas P (VDF-TrFE), la permitividad dieléctrica efectiva se mejoró de 8,2 a 15,5. Esta constante dieléctrica efectiva mejorada probablemente se deba al aumento de la densidad de flujo eléctrico debido al aumento de la conductividad. El electrodo interdigital fabricado utilizando esta delgada película compuesta de nanofibras fue diseñado y probado para aplicaciones de dispositivos portátiles. Se aplicó una fuerza mecánica externa de 350 N al recolector de energía compuesto a base de nanofibras con electrodos interdigitales a una velocidad de 0,6 Hz, el voltaje y la corriente máximos fueron de 13 V y 1,25 μA, respectivamente. Al optimizar la fabricación del dispositivo, el voltaje de circuito abierto, el voltaje almacenado y la potencia de salida generada obtenidos fueron 12,4 V, 3,78 V y 6,3 μW, respectivamente.

Los materiales compuestos piezoeléctricos basados ​​en polímeros y cerámicas han atraído notable atención debido a sus propiedades eléctricas y mecánicas superiores, como flexibilidad, piezoelectricidad y robustez1,2,3. En general, los polímeros piezoeléctricos se basan principalmente en materiales PVDF y P(VDF-TrFE)4,5. Sus propiedades eléctricas se pueden mejorar añadiendo cerámicas piezoeléctricas para crear estructuras compuestas piezoeléctricas. Aunque se han creado compuestos piezoeléctricos, existen limitaciones para mejorar sus propiedades piezoeléctricas debido a su comportamiento resistivo. Para superar estas limitaciones, se pueden agregar materiales conductores a los compuestos piezoeléctricos para mejorar sus propiedades eléctricas. El rGO bidimensional (2D) se emplea ampliamente como material conductor que se puede mezclar fácilmente con otros componentes para mejorar las propiedades eléctricas y mecánicas6,7,8. Por lo tanto, la introducción de rGO en polímeros piezoeléctricos, incluidos PVDF y P (VDF-TrFE), puede dar como resultado propiedades piezoeléctricas mejoradas9,10. Sin embargo, se inducen muchos defectos durante el proceso de reducción de rGO, lo que puede dificultar sus propiedades de transporte de electrones. Estos defectos pueden ser muy perjudiciales para las aplicaciones piezoeléctricas porque alteran el campo eléctrico11,12. rGO ha sido ampliamente investigado para aplicaciones de dispositivos funcionales bidimensionales debido a su alta conductividad eléctrica y flexibilidad13,14. Sin embargo, los defectos que se originan en el proceso de reducción disminuyen las propiedades eléctricas de rGO. Para superar la disminución de las propiedades conductoras, se dopó/sustituyó N en rGO bidimensional. El dopaje/sustitución de N puede superar los defectos en rGO, lo que da como resultado una mayor conductividad eléctrica6.

Las películas de nanofibras piezoeléctricas basadas en ingredientes poliméricos y cerámicos procesan varias ventajas en comparación con otras estructuras compuestas, como la flexibilidad y la piezoelectricidad13,15. Una película de nanofibras tiene una flexibilidad superior debido a su alta relación de aspecto en comparación con otros materiales compuestos y cerámicos. Se diseñó y adoptó un proceso de electrohilado para fabricar estructuras confiables de nanofibras y nanofibras compuestas. El electrohilado es una técnica que produce nanofibras de polímeros, cerámicas y metales mediante la aplicación de un campo eléctrico. Este proceso puede formar nanofibras a partir de moléculas complejas y puede operar a bajas temperaturas16,17.

Se empleó el proceso de electrohilado para fabricar nanofibras compuestas piezoeléctricas dopadas/sustituidas con N-rGO basadas en polímero P (VDF-TrFE) y cerámicas BS-PT. El proceso de electrohilado tiene muchas ventajas en comparación con otros procesos de fabricación física, ya que puede ser un proceso de fabricación de bajo costo mediante la extracción de nanofibras compuestas piezoeléctricas en condiciones de autopolar. Además, las nanofibras compuestas piezoeléctricas y N-rGO altamente conductoras se pueden mezclar bien durante el proceso de preparación antes del proceso de electrohilado. Como resultado, la nanofibra compuesta piezoeléctrica dopada con N-rGO se puede aplicar a varios tipos diferentes de aplicaciones de dispositivos portátiles.

La principal ventaja de este N-rGO sintetizado con nanofibras compuestas es que aumenta la conductividad del N-rGO en comparación con la del rGO. El nitrógeno desempeña el papel de eliminar defectos en el rGO o sustituirlo por carbono en los materiales rGO. Por lo tanto, este aumento de la conductividad puede mejorar los efectos de los electrodos flotantes en los materiales compuestos piezoeléctricos. Además, los resultados representativos de este manuscrito en comparación con otros artículos se pueden resumir de la siguiente manera. Se fabricaron compuestos de nanofibras piezoeléctricos dopados con N-rGO a base de polímero y BiScO3-PbTiO3 en forma de recolectores de energía piezoeléctrica planos con electrodos interdigitales. Fue la primera vez que se informaron los efectos mejorados de los electrodos flotantes basados ​​en los recolectores de energía piezoeléctricos de tipo planificador.

Para las aplicaciones del dispositivo, se diseñaron y emplearon electrodos interdigitales para nanofibras compuestas piezoeléctricas dopadas/sustituidas con N-rGO basadas en polímero P (VDF-TrFE) y cerámicas BS-PT. Casi todos los dispositivos portátiles se basan en la estructura de tipo planificador; el electrodo de tipo vertical clásico no se puede aplicar para las aplicaciones del dispositivo. Las fuerzas mecánicas aplicadas se pueden convertir en energía eléctrica a través del electrodo interdigital de las nanofibras piezoeléctricas. La permitividad dieléctrica efectiva se puede simular y calcular empleando el proceso de mapeo conforme. Al extraer los diferentes valores de permitividad dieléctrica efectiva de las nanofibras compuestas piezoeléctricas, creemos que las nanofibras piezoeléctricas dopadas con N-rGO con electrodo tipo planificador se pueden aplicar para diversas aplicaciones de dispositivos portátiles.

En este estudio, se prepararon películas compuestas de nanofibras que comprenden polímeros P (VDF-TrFE) incorporados con N-rGO y cerámicas BiScO3-PbTiO3 mediante electrohilado. Se investigaron recolectores de energía piezoeléctrica flexibles basados ​​en estos compuestos para su uso en aplicaciones electrónicas portátiles.

Como materias primas se utilizaron potencias de Bi2O3, Sc2O3, PbO y TiO2. Al considerar el grado de volatilización de los elementos Bi2O3, se agregaron 0,01 moles de Bi en exceso a las composiciones de BS-PT. La mezcla se molió con bolas de circonio estabilizadas. Luego, la mezcla se calcinó y sinterizó en forma de polvo. Se controló que los polvos sinterizados tuvieran menos de 50 µm. Finalmente los polvos fueron molidos mediante molienda planetaria.

Se preparó rGO dopado con nitrógeno mediante un método de Hummers modificado18. Se añadieron grafito y NaNO3 en polvo a H2SO4 agitando en un baño. Luego se añadió lentamente KMnO4 a la solución. Se añadió agua desionizada a las soluciones y se agitó durante 1 h, seguido de la adición de 10 ml de H2O2. Para eliminar los iones oxidantes y otras impurezas inorgánicas, se agregaron agua destilada y una solución acuosa de HCl 1:10, se centrifugaron y la mezcla se lavó varias veces. Se añadió hidrato de hidrazina a la solución para fabricar rGO. Para producir rGO dopado con nitrógeno, se agregaron óxido de grafeno y NH3NO3 a una solución de etanol y se agitaron. Para eliminar el etanol, la solución se calentó a 60 °C. La mezcla seca se calcinó y se lavó con agua desionizada y etanol.

La Figura 1a muestra un esquema del proceso de fabricación de un recolector de energía piezoeléctrica flexible basado en una película compuesta de nanofibras. Para preparar la solución compuesta, se utilizaron P(VDF-TrFE) (Solvay Co. Ltd.), acetona (Sigma-Aldrich Co. Ltd., pureza: 99,5%) y N, N-dimetilformamida (DMF, Sigma-Aldrich Co. , Ltd., pureza: 99,8%) se mezclaron en una proporción en peso de 2:5:5 y se agitaron durante 24 h. Luego, se agregaron a la mezcla nanopartículas de BiScO3-PbTiO3 (BS-PT) (30% en peso) y polvos de N-rGO (5% en peso) y se agitaron. Finalmente, se obtuvieron soluciones compuestas de P(VDF-TrFE) y P(VDF-TrFE)/BS-PT. La solución compuesta se cargó en una jeringa de plástico de 10 ml con una boquilla de metal de 21 G y luego se electrogiró. El proceso de electrohilado se realizó utilizando un campo eléctrico de 1,2 kV/cm, una velocidad de alimentación de 1 ml/h, una distancia entre la punta de la aguja y el colector de 12 cm y una temperatura del sustrato de 55 °C.

Diagramas de procesos de fabricación para (a) película compuesta de nanofibras y (b) recolector de energía piezoeléctrica.

Como se muestra en la Fig. 1a, el proceso de electrohilado se aplicó a un sustrato de poliimida recubierto con un electrodo interdigital para fabricar un dispositivo de recolección de energía basado en películas compuestas de nanofibras. La Figura 1b muestra un esquema del proceso de fabricación de un recolector de energía piezoeléctrica con electrodos interdigitales. El electrodo interdigital tenía veinte pares de dedos de Cu con tamaños y espacios de 100 µm. Los electrodos interdigitales son eficaces para medir capacitancias planas; por lo tanto, estos electrodos son útiles en aplicaciones de recolección de energía, donde se desarrolla y retiene una gran cantidad de cargas piezoeléctricas. Después de este proceso, se utilizó polidimetilsiloxano (PDMS) para encapsular el dispositivo para lograr estabilidad y protección. Las estructuras cristalinas de las muestras se determinaron mediante difracción de rayos X (XRD, Bruker-AXS; New D8-Advance). Se realizó microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA HD) para estudiar las microestructuras de películas compuestas de nanofibras. El voltaje y la corriente de salida generados se analizaron utilizando un osciloscopio (DSO-X2002A, Agilent Technologies) y un Femto/Picoammeter (B2981A, Agilent Technologies). El voltaje almacenado del dispositivo de recolección de energía se midió en el capacitor externo de un rectificador de puente completo.

La Figura 2a muestra una imagen FE-SEM de películas de nanofibras compuestas P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO. La nanofibra compuesta era larga y lisa, con un diámetro de aproximadamente 800 nm. Las partículas submicrométricas estaban bien dispersas en la nanofibra, lo que sugiere una alta compatibilidad entre las partículas cerámicas funcionales de tamaño submicrónico y la matriz P (VDF-TrFE) dopada con N-rGO. En la Fig. 2b, los datos del análisis composicional de EDS se mostraron con diferentes colores. Se detectaron diferentes composiciones elementales. La composición de C, F, N, O, Bi, Sc, Pb y Ti se distribuyó en películas de nanofibras compuestas de P (VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO; los porcentajes atómicos y en peso correspondientes se enumeran en la Tabla 1.

( a ) Imagen FE-SEM de la película compuesta de nanofibras P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO, (b) Datos EDS para la película compuesta de nanofibras P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO con diferente compuesto (c) Diagrama esquemático del componente de electrodo flotante de N-rGO en estructura de nanofibras, (d) imágenes TEM claras de imágenes TEM de película P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO.

La Figura 2c muestra un esquema de electrodos flotantes de partículas conductoras de N-rGO contenidas en la estructura compuesta de nanofibras. El N-rGO conductor disperso actúa como electrodos flotantes en compuestos, que ayudan a recolectar cargas de materiales piezoeléctricos.

La Figura 2d muestra las imágenes TEM medidas en el modo de contraste masa-espesor. En el modo de imagen de campo brillante, Fig. 2c, las partes cerámicas se pueden ver en las imágenes oscuras, mientras que la parte de polímero se puede ver en el color brillante. Por lo tanto, esperamos que las partículas cerámicas piezoeléctricas BS-PT y los electrodos flotantes conductores de N-rGO en estructuras compuestas de nanofibras mejoren la potencia de salida de los recolectores de energía.

Los patrones de difracción de rayos X (DRX) de películas de nanofibras compuestas P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE) / BS – PT y P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO se muestran en la Fig. 3. Las películas de P(VDF-TrFE) muestran picos de la fase β (110/200) en 2θ = 19,8°. Esta estructura polimérica de fase β tiene propiedades ferroeléctricas resultantes de la disposición atómica. Los patrones XRD de películas de nanofibras compuestas P (VDF-TrFE) / BS-PT indicaron la formación de la estructura polimérica de fase β; sin embargo, la cristalinidad fue menor que la de la película compuesta P (VDF-TrFE) / BS-PT. La cantidad de polímero de fase β pareció disminuir durante el proceso de fabricación. Sin embargo, quedó una pequeña cantidad del polímero de fase β después del procesamiento. Los picos de BS-PT en las mediciones de XRD indicaron que las nanopartículas piezoeléctricas de BS-PT estaban bien dispersas en películas de nanofibras compuestas de P (VDF-TrFE) / BS-PT. Este resultado sugiere que las nanopartículas cerámicas BS-PT no solo se dispersaron eficazmente en nanofibras de P (VDF-TrFE), sino que tampoco se alteraron durante el proceso de electrohilado.

Patrones XRD de películas de nanofibras P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE) / BS-PT y P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO.

La Figura 4a muestra el espectro de escaneo del estudio XPS de N-rGO y la composición química de cada elemento. Los picos de carbono, nitrógeno y oxígeno aparecieron alrededor de 285,2 eV, 399,5 eV y 533,0 eV, y se confirmó que las proporciones atómicas eran 73,9%, 6,1% y 20,0%, respectivamente.

(a) encuesta XPS y (b) escaneo N 1 s de N-rGO sintetizado y (c) resistencia de la lámina según rGO, temperatura de deposición de N-rGO.

La Figura 4b muestra el estado de enlace de N 1 s. En N-rGO, el pico N 1 s se puede separar en N de tipo piridínico (398,5 eV), que representa el nitrógeno ubicado en el anillo de 6 miembros, N de tipo pirrólico (400,1 eV), que representa el nitrógeno ubicado en el nitrógeno en un anillo de cinco miembros y picos de N (402,7 eV) de tipo grafito19. Las proporciones de unión de N de tipo piridínico, N de tipo pirrólico y N de tipo grafito fueron aproximadamente 21,2%, 51,3% y 27,5%, respectivamente.

La Figura 4c muestra la resistencia laminar de las películas rGO y N-rGO después del proceso de recocido térmico rápido (RTA). Como resultado de realizar el proceso RTA a 700 °C, la resistencia de la lámina, el valor más bajo de la película rGO, fue de 5,29 kΩ/sq. La película de N-rGO tenía 3,37 kΩ/sq. A todas las temperaturas de procesamiento, la resistencia laminar de la película de N-rGO fue menor que la de la película de rGO. Por lo tanto, debido a la alta conductividad del N-rGO, se espera que las películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas basadas en N-rGO tengan propiedades eléctricas y piezoelectricidad mejoradas.

La Figura 5a muestra un esquema de un recolector de energía de nanofibras compuestas flexibles basado en sustrato de PI con electrodos interdigitales. Se aplicó una técnica de mapeo conforme para extraer la permitividad dieléctrica efectiva de la capacitancia analizada del electrodo interdigital. El análisis de mapeo conforme permite cambiar la distribución del campo eléctrico de coordenadas rectangulares a circulares. Como resultado, se pudo estimar la permitividad dieléctrica efectiva de la película compuesta de nanofibras y el sustrato de PI, εn y εs, como se muestra en la Fig. 5a. La condición indispensable para utilizar un mapeo conforme a un sustrato de dos capas es εn > εs. De lo contrario, el campo eléctrico no puede limitarse dentro de la capa compuesta de nanofibras. Como se muestra en la Fig. 5a, W es el ancho del dedo, G es el espacio entre los dedos, λ es la longitud de onda espacial del condensador interdigital (IDC), t es el espesor del patrón del electrodo metálico y hn es la altura del Película y sustrato de nanofibras. Obtuvimos modelos analíticos del IDC siguiendo el trabajo de Gevorgian20,21. Se determinaron las ecuaciones de Igreja modificadas para las capacitancias de los electrodos internos (CI) y externos (CE), como se muestra en la Fig. 5b, donde se asumió que el espesor del sustrato no era infinito y que la capa de aire debajo del sustrato era infinitamente gruesa. Las ecuaciones del IDC pueden entonces expresarse de la siguiente manera21:

donde K son integrales elípticas definidas a continuación; k y k′ son argumentos de cada integral elíptica definida a continuación; \({C}_{I,n}\), \({C}_{I,s}\), \({C}_{E,n}\) y \({C}_{ E,s}\) son capacitancias de los electrodos interior y exterior de la película de nanofibras (n) y el sustrato (s), respectivamente; L es la longitud de los dedos; εn es la permitividad dieléctrica efectiva de la película de nanofibras; y εs es la permitividad dieléctrica efectiva del sustrato. Además, la relación entre los módulos de integrales elípticas k y k' es la siguiente:

(a) Vista en sección transversal del sustrato de dos capas para IDC, (b) circuito equivalente para IDC y (c) permitividad dieléctrica efectiva de películas compuestas de nanofibras.

Este análisis de mapeo conforme permitió calcular la permitividad dieléctrica efectiva. La constante dieléctrica extraída, como se muestra en la Fig. 5c, fue de aproximadamente 8.2, 12.3, 13.9 y 15.5 para P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE) / BS – PT, P (VDF-TrFE) / BS – PT / rGO y P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO, respectivamente. La mayor permitividad dieléctrica efectiva de P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO se atribuyó al comportamiento del electrodo flotante, como se describe en la Fig. 2b. El electrodo flotante de N-rGO en la nanofibra compuesta hace que los electrodos interdigitales atraigan y recojan más fácilmente las cargas. Por lo tanto, la permitividad dieléctrica efectiva mejoró debido al aumento de las densidades de flujo eléctrico resultantes del aumento de carga en los electrodos interdigitales. Además, debido a la alta conductividad del N-rGO, se puede observar que se refuerza la formación de cargas en la película compuesta y se mejoran las propiedades dieléctricas en comparación con las del rGO.

La Figura 6a muestra un esquema del sistema de medición para el recolector de energía. El sistema de fuerza mecánico estaba conectado a un recolector de energía con un sistema de circuitos y estaba controlado por una computadora. Se aplicó una fuerza mecánica externa de 350 N a la nanofibra compuesta con electrodos interdigitales a una velocidad de 0,6 Hz. La potencia de salida generada fue registrada por la computadora. Las Figuras 6b,c muestran voltajes y corrientes de salida positivos y negativos repetidos generados durante el empuje y liberación continuos de la fuerza mecánica externa para P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, P(VDF-TrFE)/BS–PT/ N-rGO. Se midieron y registraron la tensión de circuito abierto y la corriente de cortocircuito generadas. El voltaje y la corriente máximos del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras fueron 11,2 V y 1,09 μA en P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, 13 V y 1,25 μA en P(VDF-TrFE)/BS– PT/N-rGO. Los valores positivos de voltajes y corrientes se atribuyen a la tensión aplicada, mientras que los valores negativos se atribuyen a la liberación de tensión; por lo tanto, los valores negativos siempre son de menor magnitud que los valores positivos.

(a) Esquema del sistema de medición y voltaje de circuito abierto y corriente de cortocircuito de (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, (c) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N -Recolector de energía rGO basado en películas compuestas de nanofibras.

La Figura 7a muestra los voltajes y corrientes de salida medidos del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras con diferentes resistencias de carga. Para medir la potencia de salida generada del sistema de recolección de energía, se usó una resistencia de carga o capacitor para medir la potencia y energía de salida máxima. La densidad de potencia máxima se obtuvo optimizando la resistencia de carga. Al variar la resistencia de carga, la corriente de carga de salida disminuyó de 1,27 a 0,2 μA y el voltaje de carga de salida aumentó de 0,15 a 13,2 V.

(a) Voltaje y corriente de salida, (b) potencia, (c) voltaje almacenado y (d) confiabilidad del recolector de energía de película compuesta de nanofibras.

La Figura 7b muestra la potencia de salida generada por el recolector de energía. La potencia de salida se calculó a partir del voltaje y la corriente a través de la carga. El voltaje y la corriente de salida se midieron en una resistencia de carga externa, que oscilaba entre 100 kΩ y 500 MΩ, que estaba conectada al recolector de energía de película compuesta de nanofibras. La potencia de salida se puede expresar como:

donde IL y VL son la corriente de salida y el voltaje a través de la resistencia de carga, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 7b, la potencia de salida del recolector de energía primero aumentó y luego disminuyó. La potencia de salida máxima fue de 6,3 μW con una resistencia de carga optimizada de 37 MΩ, correspondiente a un voltaje de 9,27 V y una corriente de 0,68 μA. Después de este valor máximo, la potencia de salida generada disminuyó. Además, la densidad de potencia se puede expresar como:

La potencia de salida generada por el recolector de energía piezoeléctrica basado en la película compuesta de nanofibras fue de 0,63 mW/cm3.

La corriente de carga se puede expresar como:

donde Rpiezo y RL son resistencias de la película compuesta de nanofibras y la carga, respectivamente. Por lo tanto, la ecuación. (5) se puede expresar como:

El valor máximo de PL ocurre en el valor mínimo del denominador y, por lo tanto, la derivada del denominador de PL se puede expresar como:

En consecuencia, el valor máximo de PL se produce cuando Rpiezo = RL. En nuestro estudio, la resistencia de carga optimizada se midió en 37 MΩ y, por lo tanto, de acuerdo con la fórmula anterior, la resistencia del recolector de energía piezoeléctrica, \({R}_{piezo}\), se estima en 37 MΩ .

Las Figuras 7c,d muestran los resultados almacenados de voltaje y confiabilidad del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras. El voltaje almacenado del recolector de energía aumentó hasta 3,78 V cuando se aplicaron fuerzas mecánicas. Las propiedades de salida de la película compuesta de nanofibras se compararon con otros compuestos piezoeléctricos de polímero/cerámica y se resumen en las Tablas 222,23,24,25,26. Como se muestra en la Tabla 2, en comparación con otras investigaciones, se introdujo N-rGO altamente conductor en nanofibras compuestas piezoeléctricas para mejorar las propiedades electromecánicas, que se emplean en el recolector de energía. Por lo tanto, la energía de salida del recolector de energía aumentó en un gran margen en comparación con otros resultados recientes. El resultado se comparó y se enumeró en la Tabla 2.

Se aplicaron fuerzas mecánicas externas periódicas para examinar la confiabilidad del rendimiento de salida del sistema de recolección de energía de nanofibras compuestas. Se aplicaron más de 1000 ciclos de fuerzas mecánicas al recolector de energía basado en nanofibras compuestas. La fuerza mecánica aplicada fue de aproximadamente 300 N a una velocidad de 1,5 Hz. El voltaje generado se registró simultáneamente usando un osciloscopio. El recolector de energía piezoeléctrico flexible mostró un rendimiento de salida estable incluso bajo una presión externa constante. Los resultados indican que el recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras exhibe un rendimiento de salida excepcional sin fatiga.

La Figura 8 muestra el rendimiento de salida de dispositivos portátiles bajo diferentes frecuencias de carga en películas de nanofibras compuestas P (VDF-TrFE) / BS – PT / rGO y P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO. A medida que aumentaba la frecuencia de carga, disminuían los voltajes y la corriente de salida. En P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, los voltajes y la corriente de salida disminuyeron de 11,2 V, 1,09 μA a 7,2 V, 0,72 μA, y en P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO película compuesta de nanofibras, disminuyó de 13,3 V y 1,29 μA a 9,3 V y 0,91 μA. P (VDF-TrFE)/BS –PT/N-rGO mostró un mejor rendimiento de salida que P (VDF-TrFE)/BS-PT/rGO en todas las frecuencias de carga. Como resultado, después del alivio del estrés, se aplicó estrés antes de la recuperación, lo que resultó en una reducción del rendimiento de producción.

Tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito a 0,6, 1,2 y 1,8 Hz para (a), (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO y (c), (d) P(VDF-TrFE)/BS -Películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas PT/N-rGO.

La Figura 9 muestra el voltaje de salida medido y el dispositivo fabricado en condiciones de la vida diaria. El dispositivo fabricado se probó en condiciones de pisar, golpear y aplaudir. Los voltajes de salida fueron 16,7 V y 3,4 V en las condiciones escalonadas y presionadas del dispositivo. Cuando la mano aplaudía, se podía obtener un voltaje de salida de hasta 7,3 V y se midía un voltaje de salida aleatorio. Este resultado se debe al impacto irregular aplicado. Las condiciones de medición se operaron a 23 °C, 47% de temperatura y condiciones de humedad.

Voltaje de salida cuando (a) se presiona con el talón, (b) se golpea con el dedo, y (c) cuando se golpea con la palma el dispositivo y (d) el dispositivo fabricado.

En este estudio, se prepararon películas de nanofibras compuestas a base de P (VDF-TrFE) / BiScO3 – PbTiO3 dopadas con N-rGO mediante electrohilado. Se dopó N-rGO conductor como material de electrodo flotante para el polímero P (VDF-TrFE) y el compuesto de polímero-cerámica BiScO3-PbTiO3. Además, mediante la potencia de salida generada, se podría calcular el valor máximo de densidad de potencia utilizando la adaptación de impedancia. Este recolector de energía basado en nanofibras compuestas mostró una potencia de salida mejorada debido a los efectos de los electrodos flotantes. Se diseñó y probó un electrodo interdigital, que es una estructura de electrodo eficaz para su uso en aplicaciones de dispositivos portátiles. La potencia de salida generada se maximizó optimizando el proceso de fabricación y el diseño del electrodo interdigital. El voltaje de circuito abierto, el voltaje almacenado y la potencia de salida generada obtenidos fueron 12,4 V, 3,78 V y 6,3 μW, respectivamente. Como resultado, los electrodos flotantes en la nanofibra compuesta mejoraron la potencia de salida y la permitividad dieléctrica efectiva.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

Kim, K. y col. Impresión óptica 3D de materiales compuestos piezoeléctricos de nanopartículas y polímeros. ACS Nano 8, 9799. https://doi.org/10.1021/nn503268f (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Stuber, VL y cols. Materiales compuestos piezoeléctricos flexibles sin plomo para aplicaciones de recolección de energía. Energía. Tecnología. 7, 177. https://doi.org/10.1002/ente.201800419 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Li, L., Xu, J., Liu, J. y Gao, F. Progresos recientes en la recolección de energía piezoeléctrica: estructuras y materiales. Adv. Materia híbrida compuesta. 1, 478. https://doi.org/10.1007/s42114-018-0046-1 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Hu, X., Yu, S. y Chu, B. Aumento de la respuesta piezoeléctrica efectiva de dispositivos de película P (VDF-TrFE) estructuralmente modulados para recolectores de energía efectivos. Madre. Des. 192, 108700. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108700 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Wang, A., Hu, M., Zhou, L. y Qiang, X. Sensores de presión portátiles autoalimentados con propiedades piezoeléctricas mejoradas de compuestos alineados de P (VDF-TrFE) / MWCNT para monitorear los signos de movimiento muscular y fisiológico humano. Nanomateriales 8, 1021. https://doi.org/10.3390/nano8121021 (2018).

Artículo CAS PubMed Central Google Scholar

Kumar, R. y col. Ingeniería de grafeno dopado con heteroátomos para almacenamiento y conversión de energía. Madre. Hoy 39, 47. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2020.04.010 (2020).

Artículo CAS Google Scholar

Kumar, R. y col. Compuestos de nanopartículas de óxido de níquel y óxido de grafeno reducido co-dopado con nitrógeno y azufre para protección contra interferencias electromagnéticas. Aplicación ACS. Nanomadre. 2(7), 4626. https://doi.org/10.1021/acsanm.9b01002 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Kumar, R. y col. Nanopartículas delgadas de óxido de grafeno y óxido de cobalto reducidas asistidas por microondas como híbridos para materiales de electrodos en supercondensadores. J. Almacenamiento de energía. 40, 102724. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.102724 (2021).

Artículo de Google Scholar

Cui, C., Xue, F., Hu, WJ & Li, LJ Materiales bidimensionales con funcionalidades piezoeléctricas y ferroeléctricas. npj 2D Mater. Aplica. 2(1), 18. https://doi.org/10.1038/s41699-018-0063-5 (2018).

Artículo de Google Scholar

Kim, J. y col. rGO bidimensional introdujo películas flexibles PMN-PT y P (VDF-TrFE) para un recolector de energía piezoeléctrica mejorado. Aplica. Navegar. Ciencia. 494, 1000. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.06.236 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Park, OK y col. Curación de defectos de óxido de grafeno reducido mediante acoplamiento deshidrogenativo cruzado intramolecular. Nanotecnología 24, 185604. https://doi.org/10.1088/0957-4484/24/18/185604 (2013).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Kuang, B. y col. Propiedades dieléctricas dependientes de la reducción química y mecanismo de pérdida dieléctrica del óxido de grafeno reducido. Carbono 127, 209. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2017.10.092 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Zhao, G. y col. Sensor flexible autoalimentado de doble función piezoeléctrico basado en película de nanofibras de poliacrilonitrilo. Aplicación ACS. Madre. Interfaces 10, 15855. https://doi.org/10.1021/acsami.8b02564 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kumar, R. y col. Una descripción general del progreso reciente en electrodos de supercondensadores nanoestructurados a base de carbono: de cero a materiales bidimensionales. Carbono 193, 298. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2022.03.023 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Yang, J. y col. Mejora piezoeléctrica de una membrana de nanofibras P (VDF-TrFE) dopada con AlN electrohilada. Madre. Química. Frente. 5, 5679. https://doi.org/10.1039/D1QM00550B (2021).

Artículo CAS Google Scholar

Szewczyk, PK y cols. Piezoelectricidad mejorada de fibras de fluoruro de polivinilideno electrohiladas para la recolección de energía. Aplicación ACS. Madre. Interfaces. 12, 13575. https://doi.org/10.1021/acsami.0c02578 (2020).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Mokhtari, F., Shamshirsaz, M., Latifi, M. & Foroughi, J. Recolector de energía piezoeléctrica basado en nanofibras para tecnologías portátiles autoalimentadas. Polímeros 12, 2697. https://doi.org/10.3390/polym12112697 (2020).

Artículo CAS PubMed Central Google Scholar

Zaaba, NI et al. Síntesis de óxido de grafeno mediante el método de Hummers modificado: influencia de los disolventes. Procedia Ing. 184, 469. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.04.118 (2017).

Artículo CAS Google Scholar

Du, M. y col. Síntesis de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno directamente a partir de óxido de grafeno dopado con nitrógeno como ánodo de batería de iones de litio de alto rendimiento. RSC Avanzado. 4, 42412–42417. https://doi.org/10.1039/c4ra05544f (2014).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Gevorgian, S. y col. Modelado de condensadores interdigitales ferroeléctricos/HTS de película fina. Proceso EEI Microondas. Propagación de antenas. 143, 397. https://doi.org/10.1049/ip-map:19960595 (1996).

Artículo de Google Scholar

Igreja, R. & Dias, CJ Evaluación analítica de la capacitancia de los electrodos interdigitales para una estructura multicapa. Sens. Actuadores A Phys. 112, 291. https://doi.org/10.1016/j.sna.2004.01.040 (2004).

Artículo CAS Google Scholar

Deol, RS y col. Un dispositivo de recolección de energía flexible y sin plomo. Microsistema. Tecnología. https://doi.org/10.1007/s00542-022-05345-1 (2022).

Artículo de Google Scholar

Chen, JX, Li, JW, Cheng, CC y Chiu, CW Mejora de las propiedades piezoeléctricas de películas híbridas de PZT/poli(fluoruro de vinilideno-co-trifluoroetileno) para recolectores de energía piezoeléctrica flexibles. ACS Omega 7(1), 793. https://doi.org/10.1021/acsomega.1c05451 (2022).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Faraz, M., Singh, HH y Khare, N. Una estrategia progresiva para recolectar energía mecánica utilizando un nanogenerador piezoeléctrico basado en película de nanocompuestos flexibles PVDF-rGO-MoS2. J. Aleación. compd. 890(15), 161840. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.161840 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Li, Y. et al. Rendimiento piezoeléctrico mejorado de películas flexibles multicapa de fluoruro de polivinilideno – BaTiO3 – rGO para monitorear los movimientos del cuerpo humano. J. Mater. Ciencia: Mater. Electrón. 33, 4291. https://doi.org/10.1007/s10854-021-07622-7 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Kim, JH y cols. rGO bidimensional introdujo películas flexibles PMN-PT y P (VDF-TrFE) para un recolector de energía piezoeléctrica mejorado. Aplica. Navegar. Ciencia. 494(15), 1000. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.06.236 (2019).

Artículo ADS CAS Google Scholar

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Este estudio, respaldado por la subvención de Desarrollo de Recursos Humanos (No.20214000000280) del Instituto Coreano de Evaluación y Planificación de Tecnología Energética (KETEP), financiada por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía del gobierno de Corea y contó con el apoyo del MSIT (Ministerio de Ciencia y Tecnología Energética). ICT), Corea, bajo el programa de apoyo ITRC (Centro de Investigación de Tecnologías de la Información) (IITP-2022-2020-0-01655) supervisado por el IITP (Instituto de Planificación y Evaluación de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones).

Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Chung-Ang, 84 Heukseok-Ro, Dong-Jak Gu, Seúl, 06974, República de Corea

Jae Hoon Ji y Jung Hyuk Koh

Departamento de Industria y Energía Inteligente, Universidad Chung-Ang, Heukseok-ro, Seúl, 06974, República de Corea

Gwangseop Lee y Jung-Hyuk Koh

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JH.J. y JH.K. Escribió el texto principal del manuscrito. JH.J. Higos preparados. 1, 3–5 y JH.J. y GL preparó las Figs. 2–9 y Tablas 1, 2. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jung-Hyuk Koh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ji, JH., Lee, G. y Koh, JH. Síntesis de una película de nanofibras compuesta de polímero cerámico a base de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno para aplicaciones de dispositivos portátiles. Informe científico 12, 15583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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Recibido: 28 de junio de 2022

Aceptado: 25 de agosto de 2022

Publicado: 16 de septiembre de 2022

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

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