Ukuran Partikel Pengaruh Keramik Bismut Titanat yang Dimodifikasi Lantanum pada Efek Ferroelektrik untuk Pemanenan Energi
Abstrak
Piezoelectric nanogenerators (PNGs) telah dipelajari sebagai sumber energi terbarukan. PNG yang terdiri dari bahan piezoelektrik organik seperti poli(vinilidena fluorida) (PVDF) yang mengandung bubuk kompleks oksida telah menarik banyak perhatian karena konversi energinya yang dapat diregangkan dan berkinerja tinggi. Dalam penelitian ini, kami menyiapkan PNG yang dikombinasikan dengan PVDF dan bismut titanat yang dimodifikasi lantanum (Bi4−X LaX Ti3 O12 , BLT) keramik sebagai bahan feroelektrik representatif. Bubuk BLT yang dimasukkan diolah dengan penggilingan bola berkecepatan tinggi dan ukuran partikelnya dikurangi menjadi skala nano. Kami juga menyelidiki pengaruh ukuran partikel pada kinerja pemanenan energi PNG tanpa polling. Akibatnya, bubuk berukuran nano memiliki luas permukaan yang jauh lebih besar daripada bubuk berukuran mikro dan terdistribusi secara merata di dalam PNG. Selain itu, PNG yang dicampur bubuk berukuran nano menghasilkan energi daya yang lebih tinggi (> 4 kali) daripada bubuk berukuran mikro yang disisipkan PNG.
Pengantar
Pemanenan energi adalah teknologi hemat energi yang menjanjikan yang memungkinkan kita untuk terus hidup di Bumi. Pemanenan energi telah menarik banyak perhatian karena memungkinkan pengoperasian aplikasi Internet of Things (IoT) yang stabil. Kinerja pemanenan energi yang tinggi adalah kunci seberapa banyak energi dan daya yang relatif kecil dapat dikumpulkan. Selain itu, fungsi yang dapat diregangkan dan dapat dipakai diperlukan untuk semua perangkat canggih [1,2,3]. Teknologi pemanenan energi untuk mengumpulkan sumber energi, yang berasal dari pengepresan mekanis, getaran (piezoelektrik), gradien suhu (termoelektrik), dan cahaya matahari (fotovoltaik), telah berkembang pesat selama dekade terakhir; ini melibatkan proses menangkap energi dari satu atau lebih sumber energi terbarukan dan mengubahnya menjadi energi listrik yang dapat digunakan [4,5,6].
Teknik piezoelektrik telah paling umum digunakan di antara berbagai teknik karena kesederhanaan transduksi dan kemudahan implementasi relatif di berbagai bidang aplikasi. Sistem piezoelektrik nanogenerator (PNG) mencakup dua jenis sistem:keramik piezoelektrik dan bahan piezoelektrik organik berbasis polimer piezoelektrik [7, 8]. Keramik piezoelektrik memiliki kemampuan mengumpulkan energi yang tinggi. Namun, mereka tidak mudah bengkok dan mudah rusak oleh kejutan mekanis. Dibandingkan dengan keramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik lebih kuat daripada polimer pecah dan lentur. Polimer piezoelektrik telah dibuat menggunakan bahan piezoelektrik organik. Poli(vinilidena fluorida) (PVDF) diperkenalkan, mengarah ke PNG dengan polimer [9, 10]. Beberapa upaya telah dilakukan untuk menggabungkan bahan keramik dan organik di dalam matriks polimer dengan mengubah struktur perangkat untuk meningkatkan kinerja pemanenan energi polimer piezoelektrik [11,12,13]. Selain itu, untuk kinerja tinggi dalam perangkat, telah diperkenalkan perlakuan permukaan atau pengontrolan ukuran dan bentuk partikel untuk area permukaan yang besar. [14,15,16].
Dalam penelitian ini, kami memilih bismut titanat yang dimodifikasi lantanum (BLT, Bi3,25 La0,75 Ti3 O12 ) keramik, yang telah dilaporkan sebagai isolator yang cocok dengan ketahanan yang kuat, suhu pemrosesan yang rendah, dan nilai polarisasi sisa yang besar [17, 18]. BLT berasal dari lantanum (La)-doped Bi4 Ti3 O12 (BTO) yang merupakan perwakilan dari ABO3 senyawa perovskit yang termasuk dalam fase Aurivillius. Alih-alih ion Bi di dekat lapisan oktahedron Ti-O di BTO, doping ion La dapat meningkatkan sifat fisik dan kristalinitasnya dengan mengurangi kekosongan oksigen dan cacat struktur kristal [19, 20]. Pertama, bubuk BLT berukuran nano disiapkan melalui penggilingan bola energi tinggi dari bubuk berukuran mikro [21]. Saat ukuran partikel menurun, luas permukaan partikel berukuran nano meningkat hingga 10 kali lipat dari sisi mikro. Kemudian, kami mensintesis PNG dengan kombinasi bahan feroelektrik untuk meningkatkan kinerja pemanenan energi dan efeknya pada ukuran partikel keramik BLT (mikro dan nano-) yang terkandung dalam perangkat PNG tanpa polling. Dibandingkan dengan bubuk berukuran mikro yang disisipkan PNG, kami mengamati bahwa kinerja pembangkitan energi meningkat lebih dari empat kali lipat dibandingkan dengan bubuk campuran PNG berukuran nano.
Metode
Memulai Bahan Kimia
Sebagai bahan kimia awal untuk BLT, Bi2 O3 (< 99,9%), TiO2 (< 99,99%), La2 O3 (< 99,99%), dan bubuk oksida biner dibeli dari Kojundo Chemical Company. Bubuk PVDF dan N, N-Dimethylacetamide (DMA), dan etanol dibeli dari Sigma-Aldrich Chemical Company. Semua bahan kimia dan pelarut digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut selama prosedur eksperimental.
Contoh Fabrikasi
Kami membuat PNG menggunakan tiga langkah berikut:Langkah 1 . Sintesis bubuk BLT: Berdasarkan laporan kami sebelumnya [22, 23], kami menyiapkan bubuk BLT dengan partikel berukuran mikro. Serbuk komposit oksida BLT yang disiapkan adalah Bi3,25 La0,75 Ti3 O12 . Pertama, reagen kimia awal, etanol, dan butiran penggilingan zirkonia dipindahkan ke botol Teflon dan dicampur secara menyeluruh dalam ball mill mekanis (200 rpm) selama 24 jam. Setelah campuran benar-benar kering dalam oven (80 °C), campuran yang diperoleh dikalsinasi pada 850 °C selama 3 jam (5,2 °C/menit). Langkah 2 . Mengontrol ukuran partikel setelah kalsinasi: Bubuk curah (berukuran mikro) diolah dalam sistem penggilingan bola energi tinggi (Model UAM-015, Kotobuki) dengan manik-manik etanol dan zirkonia (Ø < 0,1 mm). Sebelum perlakuan sampel, kami mendispersikan bubuk BLT (3 g) dan manik-manik zirkonia (400 g) dalam etanol (500 mL); larutan pencampur disuplai ke bejana 0,15-L. Proses penggilingan bola dilakukan di kapal pada kecepatan rotor 40 Hz, sesuai dengan 3315 rpm, selama 3 j. Langkah 3. Pembuatan PNG dengan bubuk BLT: Bubuk PVDF dan BLT (40 wt.%) didispersikan dalam larutan DMA dan diaduk selama 2 jam pada suhu kamar. Larutan pencampur diteteskan pada substrat gelas soda-kapur dan diputar pada 1000 rpm selama 30 detik. Setelah proses spin coating, sampel dipindahkan ke hot plate dan dikeringkan pada suhu 60 °C selama 3 jam untuk menguapkan pelarut. Film PVDF dan BLT diperoleh dengan mengupas substrat kaca. Perangkat PNG dirakit dengan film yang disisipkan di antara foil tembaga yang diapit sebagai elektroda atas dan bawah. Ketentuan prosedur terperinci ditunjukkan pada Gambar. 1.
Proses fabrikasi PNG mengandung bubuk PVDF dan BLT
Pengukuran
Sifat morfologi dan mikrostruktur serbuk BLT berukuran mikro dan nano yang disintesis diamati dengan mikroskop elektron pemindaian emisi lapangan (FE-SEM, Hitachi, S-4700) dan Mikroskop Elektron Transmisi (TEM, JEOL LTD, JEM-2100F HR) . Distribusi ukuran dan bentuk partikel bubuk dalam film kompleks bubuk PVDF di perangkat PNG diamati menggunakan sistem berkas ion terfokus (FIB, Nova Nano, SEM200). Pengukuran adsorpsi-desorpsi nitrogen dilakukan pada penganalisis permukaan BET, dan luas permukaan spesifik serta volume pori dihitung menggunakan metode Brunauer-Emmett-Teller (BET, Micromeritics, ASAP 2020). Distribusi ukuran pori serbuk diperkirakan dari cabang adsorpsi isoterm menggunakan metode Barrett-Joyner-Halenda (BJH). Tegangan dan arus yang dihasilkan diukur menggunakan sistem larutan IV (pengukur sumber, Keithley 2410).
Uji Sifat Piezoelektrik untuk Kinerja Pembangkit Energi
Untuk mengevaluasi sifat pembangkit energi sampel, kami menggunakan dua jenis mode yang berbeda:(1) menekan/tidak menekan dan (2) menekuk/melepaskan, seperti yang ditunjukkan dalam kinerja pemanenan energi pada Gambar 1c. Pertama, pembangkitan tegangan sampel diukur dengan menekan dan melepaskan beban (luas:1,77 cm
2
, 194 g) di tengah perangkat PNG. Kemudian, sampel (perangkat PNG) dimuat pada substrat polikarbonat dan dihubungkan ke peralatan larutan IV. Untuk pembengkokan sampel pada kecepatan 1 waktu/s, kami mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan dari perangkat PNG yang disiapkan dengan dan tanpa bubuk BLT.
Hasil dan diskusi
Menyetel Ukuran Partikel Keramik BLT dan PVDF
Setelah bubuk BLT mengalami penggilingan bola energi tinggi, ukuran partikel bubuk menjadi lebih kecil dan lebih sempit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, luas permukaan BET serbuk meningkat dari 1,5297 menjadi 33,8305 m
2
/G. Luas permukaan sampel tergantung pada ukuran partikelnya. Gambar 2c dan d menunjukkan isoterm adsorpsi/desorpsi nitrogen sampel (BJH, BET). Luas permukaan BET dari sampel berukuran mikro dan berukuran nano adalah sekitar 1,12 dan 30,67 m
2
/g, masing-masing. Profil isoterm dari semua sampel milik tipe II dengan loop histeresis H3 dengan loop histeresis diucapkan menurut klasifikasi IUPAC [24, 25]. Jenis isoterm ini pada tekanan relatif rendah menunjukkan bahwa sampel memiliki permukaan yang tidak berpori.
Gambar FE-SEM dan isoterm adsorpsi-desorpsi nitrogen dan distribusi ukuran pori keramik BLT disiapkan dan diolah dengan penggilingan bola energi tinggi selama 3 jam; a dan c berukuran mikro, dan b dan d bedak berukuran nano
Dapat dilihat dengan jelas dari Gambar 2a bahwa morfologi serbuk berukuran mikro terutama didominasi oleh adanya butiran tepi yang tidak beraturan dengan poligon berukuran acak. Kami mengamati bahwa ukuran partikel menurun dari gambar FE-SEM pada Gambar 2b setelah penggilingan bola energi tinggi. Seperti yang diharapkan dari FE-SEM dan BET pada Gambar. 2, pengamatan dari TEM dapat memastikan bahwa ukuran dan bentuk partikel berubah dalam serangkaian sampel dari Gambar 3. Dibandingkan dengan bubuk BLT berukuran mikro dengan struktur mikro, Nano- bubuk BLT berukuran terdiri dari butiran dengan ukuran kurang dari 100 nm. Oleh karena itu, bubuk BLT dengan partikel berukuran Nano mungkin memiliki luas permukaan spesifik yang lebih besar yang mungkin cukup membantu untuk distribusi formal untuk meningkatkan pembangkitan energi di perangkat NG [21, 26].
Gambar TEM bubuk BLT setelah dan sebelum perawatan dengan penggilingan bola energi tinggi; a dan b Ukuran mikro dan c dan d Berukuran nano
Efek ukuran partikel dalam bubuk ditunjukkan dalam pola XRD pada Gambar 4. Puncak XRD bubuk sangat cocok dengan puncak standar struktur ortorombik, meskipun ukuran partikel bubuk BLT menurun. Dibandingkan dengan garis difraksi tajam dengan intensitas tinggi serbuk berukuran mikro, bahwa serbuk berukuran nano diperluas jauh dengan intensitas yang lebih rendah karena peningkatan regangan kisi internal selama penggilingan bola [23, 26]. Kami mengkonfirmasi bahwa struktur Aurivillius yang diindeks dengan asumsi puncak signifikan (117), (020), dan (208) dipertahankan tanpa merusak simetri meskipun ukuran partikel berubah dengan penggilingan bola energi tinggi. Ukuran kristal produk ditentukan dari puncak paling signifikan (117) dalam pola XRD menurut persamaan Scherrer, D = Kλ /β karenaθ , di mana λ adalah panjang gelombang sinar-X (1,54056 Å), adalah lebar penuh pada setengah maksimum (FWHM), adalah sudut Bragg, dan K adalah faktor bentuk [27]. Ukuran kristalnya adalah ~ 50 nm. Kami mengamati bahwa partikel berukuran nano terdistribusi secara merata dalam bubuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b.
Pola difraksi sinar-X (XRD) serbuk:a bubuk BLT berukuran nano dan b Bubuk BLT berukuran mikro
PVDF murni dikenal dengan α , β , dan γ fase kristal [28]. Untuk menghasilkan piezoelektrik, PVDF konvensional harus dibentuk di β -fase. Kami menyelidiki apakah -PVDF dibentuk menggunakan spektrometer FT-IR, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Dari puncak yang terdeteksi yang terletak di 1275 dan 840, kami menyimpulkan bahwa kedua pita dikaitkan dengan -PVDF.
Spektrometer inframerah transformasi Fourier (FT-IR) dari film PVDF murni yang disiapkan
Selain itu, untuk menghasilkan piezoelektrik, film PVDF harus memperoleh polaritas tinggi yang bergantung pada susunan (–CH2 CF2 –) satuan dalam materi. Secara umum, PVDF fase- (β-PVDF) menunjukkan polaritas terbaik di antara tiga fase kristal karena -PVDF memiliki semua kutub dalam arah yang sama. Spektrum FTIR film PVDF dalam kisaran 1400 hingga 700 cm
−1
ditunjukkan pada Gambar. 5. Hasilnya menunjukkan puncak yang hampir khas dari PVDF. Jelas bahwa puncak eksklusif pada 1275 (CF2 membungkuk) dan 840 cm
−1
(CH2 goyang) menunjukkan dominan fase [29,30,31]. Perlu dicatat bahwa film -PVDF akan terbentuk pada suhu sedang disertai dengan penguapan pelarut yang lambat. Oleh karena itu, film PVDF partikel BLT murni dan yang didoping perlahan-lahan akan menguap di hot plate pada 60 °C untuk membuat PNG.
Kinerja pembangkitan energi PNG dengan bubuk PVDF dan BLT
Untuk mengkonfirmasi efek ukuran partikel bubuk di PNG, kami mengukur kinerja pembangkitan tegangan tanpa perawatan poling medan listrik yang tinggi. Gambar 6 menunjukkan properti pembangkit tegangan dari PNG yang disiapkan dengan bubuk PVDF dan BLT (berukuran mikro dan nano). Kami menghitung bagian penghasil energi (area aktif) yang bersentuhan dengan berat di perangkat PNG (Ukuran perangkat:3,0 cm × 3,0 cm); area aktif PNG adalah 4 cm
2
. Tegangan yang dihasilkan direkam selama 20 dtk menekan dan melepas dengan 3 N.
Pembangkitan tegangan sirkuit terbuka PNG dengan PVDF dan Powder selama kondisi pengepresan dan pelepasan
Ketika tegangan vertikal diterapkan pada sampel dengan menekan ke atas dan ke bawah, energi potensial piezoelektrik dihasilkan dalam satu arah sisi. Arah piezoelektrik PVDF murni negatif sepanjang sumbu vertikal dengan polaritas. Terlepas dari ukuran partikel, perangkat PNG yang dibuat dengan bubuk PVDF dan BLT memiliki tegangan positif bersama dengan polaritas PVDF murni. Setelah menekan sampel, tegangan keluaran diamati sebagai konten meningkat dengan ukuran partikel bubuk BLT. Selain itu, tegangan keluaran PNG dikurangi dengan bubuk (berukuran mikro), di mana tegangan keluaran menurun dengan menekan, menunjukkan bahwa ukuran partikel bubuk diperlukan untuk mendapatkan kinerja output maksimum dari nanogenerator. Dibandingkan dengan bubuk berukuran mikro, bubuk berukuran nano mungkin terganggu dalam film. Di antara semua sampel, PNG berukuran nano memiliki tegangan rangkaian terbuka tertinggi 10 Vpk-pk . Setelah gaya penekan diterapkan pada sampel, sampel PNG mempertahankan produksi energi selama kurang lebih 20 detik, karena bubuk BLT ada di dalam PNG. Kami berasumsi bahwa waktu pemulihan 10 dtk diperlukan untuk kembali ke level nol (Gbr. 7).
Tegangan sirkuit terbuka dan generasi saat ini dari komposit PVDF dan PVDF/Bubuk murni selama pembengkokan yang terhubung ke peralatan larutan IV
Kesimpulan
Kami menyiapkan perangkat PNG dengan komposit organik-anorganik yang mengandung PVDF dan BLT. Semua PNG diuji di bawah dua kinerja pemanenan energi yang berbeda (menekan dan menekuk) untuk menyelidiki kinerja piezoelektrik PNG tanpa poling medan listrik yang tinggi. Dibandingkan dengan PVDF murni, PVDF yang dimasukkan bubuk berukuran mikro menunjukkan sifat pembangkitan energi yang lebih rendah. Namun, dengan mengurangi ukuran partikel dalam bubuk, kami mengonfirmasi bahwa kinerja piezoelektrik ditingkatkan dengan faktor empat karena luas permukaannya yang besar dan distribusi yang seragam di perangkat PNG.
Ketersediaan data dan materi
Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.
Singkatan
PNG:
Nanogenerator piezoelektrik
BLT:
Bismut titanat yang dimodifikasi lantanum (Bi4−X LaX Ti3 O12 )
