Optimasi Panen Energi Ferroelektrik: Dampak Ukuran Partikel Bismuth Titanat Modifikasi Lanthanum terhadap Performa Piezoelektrik
Abstrak
Nanogenerator piezoelektrik (PNG) telah diteliti sebagai sumber energi terbarukan. PNG yang terdiri dari bahan piezoelektrik organik seperti poli(vinylidenida fluorida) (PVDF) yang mengandung bubuk oksida kompleks telah menarik perhatian besar karena kemampuan konversi energi yang dapat meregangkan dan berkinerja tinggi. Dalam penelitian ini, kami menyiapkan PNG yang digabungkan dengan PVDF dan keramik bismuth titanat modifikasi lanthanum (Bi₄₋ₓLaₓTi₃O₁₂, BLT) sebagai bahan ferroelektrik representatif. Bubuk BLT yang disisipkan diproses dengan ball milling berkecepatan tinggi sehingga ukuran partikurnya dikurangi ke skala nano. Kami juga menyelidiki efek ukuran partikel terhadap performa panen energi PNG tanpa treatment polling. Sebagai hasilnya, bubuk berukuran nano memiliki luas permukaan yang jauh lebih besar dibandingkan bubuk berukuran mikro dan terdistribusi secara seragam di dalam PNG. Selain itu, PNG yang dicampur bubuk berukuran nano menghasilkan energi daya lebih dari 4 kali lipat dibandingkan PNG yang disisipkan bubuk berukuran mikro.
Pendahuluan
Panen energi adalah teknologi hemat energi yang menjanjikan yang memungkinkan kehidupan berkelanjutan di Bumi. Panen energi telah menarik perhatian besar karena memungkinkan operasi stabil aplikasi Internet of Things (IoT). Performa panen energi yang tinggi adalah kunci untuk seberapa banyak energi dan daya yang relatif kecil dapat dikumpulkan. Selain itu, fungsi yang dapat meregangkan dan dapat dipakai diperlukan untuk semua perangkat terdepan [1,2,3]. Teknologi panen energi untuk mengumpulkan sumber energi yang berasal dari tekanan mekanik, getaran (piezoelektrik), gradien suhu (termoelektrik), dan cahaya matahari (fotovoltaik) telah berkembang pesat selama satu dekade terakhir; ini melibatkan proses menangkap energi dari satu atau lebih sumber energi terbarukan dan mengonversinya menjadi energi listrik yang dapat digunakan [4,5,6].
Di antara berbagai teknik, teknik piezoelektrik adalah yang paling umum digunakan karena kesederhanaan transmisi dan kemudahan implementasi relatif dalam berbagai bidang aplikasi. Sistem nanogenerator piezoelektrik (PNG) mencakup dua jenis sistem: keramik piezoelektrik dan bahan piezoelektrik organik berbasis polimer piezoelektrik [7, 8]. Keramik piezoelektrik memiliki kemampuan pengumpulan energi yang tinggi. Namun, mereka tidak mudah membengkok dan mudah pecah karena getaran mekanik. Dibandingkan dengan keramik piezoelektrik, polimer piezoelektrik lebih tahan terhadap pecahan dan pembengkokan. Polimer piezoelektrik telah dibuat menggunakan bahan piezoelektrik organik. Poli(vinylidenida fluorida) (PVDF) diperkenalkan, menghasilkan 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 performa panen energi polimer piezoelektrik [11,12,13]. Selain itu, untuk performa tinggi pada perangkat, treatment permukaan atau pengendalian ukuran dan bentuk partikel untuk luas permukaan besar telah diperkenalkan [14,15,16].
Dalam penelitian ini, kami memilih keramik bismuth titanat modifikasi lanthanum (BLT, Bi₃.₂₅La₀.₇₅Ti₃O₁₂), yang telah dilaporkan sebagai isolator yang sesuai dengan keberlanjutan yang kuat, suhu pemrosesan rendah, dan nilai polarisasi remanen yang besar [17, 18]. BLT berasal dari Bi₄Ti₃O₁₂ (BTO) yang doped lanthanum (La), yang merupakan representatif senyawa perovskit ABO₃ yang termasuk dalam fase Aurivillius. Sebaliknya dengan ion Bi di dekat lapisan oktaheron Ti–O dalam BTO, doping ion La dapat meningkatkan properti fisik dan kristalinitasnya dengan mengurangi rongga oksigen dan defek struktur kristal [19, 20]. Pertama, bubuk BLT berukuran nano disiapkan melalui ball milling energi tinggi dari bubuk berukuran mikro [21]. Seiring berkurangnya ukuran partikel, luas permukaan partikel nano meningkat hingga 10 kali lipat dari partikel mikro. Kemudian, kami menyintesis PNG dengan kombinasi bahan ferroelektrik untuk meningkatkan performa panen energi dan efek ukuran partikel keramik BLT (mikro dan nano) yang terkandung dalam perangkat PNG tanpa polling. Dibandingkan dengan PNG yang disisipkan bubuk berukuran mikro, kami mengamati bahwa performa generasi energi meningkat lebih dari empat kali lipat dibandingkan PNG yang dicampur bubuk berukuran nano.
Metode
Bahan Kimia Awal
Sebagai bahan kimia awal untuk BLT, Bi₂O₃ (< 99.9%), TiO₂ (< 99.99%), La₂O₃ (< 99.99%), dan bubuk oksida biner dibeli dari Kojundo Chemical Company. Bubuk PVDF dan N, N-Dimethylasetamida (DMA), serta etanol dibeli dari Sigma-Aldrich Chemical Company. Semua bahan kimia dan pelarut digunakan tanpa pemurnian lebih lanjut selama prosedur eksperimen.
Pembuatan Sampel
Kami memproduksi PNG menggunakan tiga langkah berikut: Langkah 1. Sintesis bubuk BLT: Berdasarkan laporan kami sebelumnya [22, 23], kami menyiapkan bubuk BLT dengan partikel berukuran mikro. Bubuk komposit oksida BLT yang disiapkan adalah Bi₃.₂₅La₀.₇₅Ti₃O₁₂. Pertama, reagen kimia awal, etanol, dan kerikil grinding zirconia dipindahkan ke botol Teflon dan dicampur secara merata dalam ball mill mekanis (200 rpm) selama 24 jam. Setelah campuran kering sepenuhnya dalam oven (80 °C), campuran yang didapatkan dikalsinasi pada 850 °C selama 3 jam (5.2 °C/min). Langkah 2. Pengendalian ukuran partikel setelah kalsinasi: Bubuk massa (berukuran mikro) dirawat dalam sistem ball milling energi tinggi (Model UAM-015, Kotobuki) dengan etanol dan kerikil zirconia (Ø < 0.1 mm). Sebelum treatment sampel, kami mendispergikan bubuk BLT (3 g) dan kerikil zirconia (400 g) dalam etanol (500 mL); larutan campuran disalurkan ke wadah 0,15 L. Proses ball milling dilakukan dalam wadah dengan kecepatan rotor 40 Hz, yang sesuai dengan 3315 rpm, selama 3 jam. Langkah 3. Pembuatan PNG dengan bubuk BLT: PVDF dan bubuk BLT (40 wt.%) didispergikan dalam larutan DMA dan diaduk selama 2 jam pada suhu ruang. Larutan campuran dititis pada substrat kaca soda-lime dan diputar pada 1000 rpm selama 30 detik. Setelah proses spin coating, sampel dipindahkan ke hot plate dan dikering pada 60 °C selama 3 jam untuk menguapkan pelarut. Film PVDF dan BLT diperoleh dengan melepas substrat kaca. Perangkat PNG dirangkaikan dengan film yang disisipkan antara folium tembaga sebagai elektroda atas dan bawah. Kondisi prosedur rinci ditunjukkan pada Gambar 1.
Proses pembuatan PNG yang mengandung PVDF dan bubuk BLT
Pengukuran
Properti morfologis dan mikrostruktur bubuk BLT berukuran mikro dan nano yang disintesis diamati oleh mikroskop elektron pemancar medan (FE-SEM, Hitachi, S-4700) dan Mikroskop Elektron Transmisi (TEM, JEOL LTD, JEM-2100F HR). Distribusi ukuran dan bentuk partikel bubuk dalam film kompleks PVDF-bubuk dalam perangkat PNG diamati menggunakan sistem ion terfokus (FIB, Nova Nano, SEM200). Pengukuran penyerapan-desorpsi nitrogen dilakukan pada analis permukaan BET, dan luas permukaan spesifik serta volume pori dihitung menggunakan metode Brunauer–Emmett–Teller (BET, Micromeritics, ASAP 2020). Distribusi ukuran pori bubuk diperkirakan dari cabang penyerapan isoterm menggunakan metode Barrett–Joyner–Halenda (BJH). Tegangan dan arus yang dihasilkan diukur menggunakan sistem IV (source meter, Keithley 2410).
Uji Properti Piezoelektrik untuk Performa Generasi Energi
Untuk mengevaluasi properti generasi energi sampel, kami menggunakan dua mode berbeda: (1) menekan/melepaskan dan (2) membengkokkan/melepaskan, seperti yang ditunjukkan pada performa panen energi pada Gambar 1c. Pertama, generasi tegangan sampel diukur dengan menekan dan melepaskan beban (luas: 1,77 cm², 194 g) di tengah perangkat PNG. Kemudian, sampel (perangkat PNG) dimuat pada substrat polikarbonat dan terhubung ke peralatan IV. Untuk pembengkokan sampel dengan kecepatan 1 kali/detik, kami mengukur arus dan tegangan yang dihasilkan dari perangkat PNG yang disiapkan dengan dan tanpa bubuk BLT.
Hasil dan Pembahasan
Pengaturan Ukuran Partikel Keramik BLT dan PVDF
Setelah bubuk BLT diberi subjek pada ball milling energi tinggi, ukuran partikel bubuk menjadi lebih kecil dan lebih sempit. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, luas permukaan BET bubuk meningkat dari 1,5297 ke 33,8305 m²/g. Luas permukaan sampel bergantung pada ukuran partikelnya. Gambar 2c dan d menunjukkan isoterm penyerapan/desorpsi nitrogen sampel (BJH, BET). Luas permukaan BET sampel berukuran mikro dan nano masing-masing sekitar 1,12 dan 30,67 m²/g. Profil isoterm semua sampel termasuk tipe II dengan loop histeresis H3 dengan loop histeresis yang mencolok menurut klasifikasi IUPAC [24, 25]. Tipe isoterm ini pada tekanan relatif rendah menunjukkan bahwa sampel memiliki permukaan non-pori.
Gambar FE-SEM dan isoterm penyerapan-desorpsi nitrogen serta distribusi ukuran pori keramik BLT yang disiapkan dan dirawat dengan ball milling energi tinggi selama 3 jam; a dan c berukuran mikro, dan b dan d bubuk berukuran nano
Dari Gambar 2a dapat terlihat jelas bahwa morfologi bubuk berukuran mikro terutama didominasi oleh kehadiran butir tepi tidak teratur dengan poligon ukuran acak. Kami mengamati bahwa ukuran partikel berkurang dari gambar FE-SEM pada Gambar 2b setelah ball milling energi tinggi. Seperti yang diharapkan dari FE-SEM dan BET pada Gambar 2, pengamatan dari TEM dapat dikonfirmasi bahwa ukuran dan bentuk partikel berubah dalam serangkaian sampel pada Gambar 3. Dibandingkan bubuk BLT berukuran mikro dengan mikrostruktur, bubuk BLT berukuran nano terdiri dari butir 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 sangat membantu untuk distribusi formal dalam meningkatkan generasi energi pada perangkat NG [21, 26].
Gambar TEM bubuk BLT sebelum dan setelah treatment dengan ball milling energi tinggi; a dan b Mikro-ukuran dan c dan d Berukuran nano
Efek ukuran partikel dalam bubuk ditunjukkan pada pola XRD pada Gambar 4. Puncak XRD bubuk cocok dengan baik dengan puncak standar struktur ortombik, meskipun ukuran partikel bubuk BLT berkurang. Dibandingkan garis difraksi yang tajam dengan intensitas tinggi bubuk berukuran mikro, puncak bubuk berukuran nano melebar secara signifikan dengan intensitas lebih rendah karena tekanan jaringan internal yang meningkat selama ball milling [23, 26]. Kami mengonfirmasi bahwa struktur Aurivillius yang diindeks dengan asumsi puncak signifikan (117), (020), dan (208) dipelihara tanpa memecah simmetri meskipun terjadi perubahan ukuran partikel oleh ball milling energi tinggi. Ukuran kristal produk ditentukan dari puncak paling signifikan (117) dalam pola XRD sesuai dengan persamaan Scherrer, D = Kλ/βcosθ, di mana λ adalah panjang gelombang X-ray (1,54056 Å), β adalah lebar setengah maksimum (FWHM), θ adalah sudut Bragg, dan K adalah faktor bentuk [27]. Ukuran kristalnya sekitar 50 nm. Kami mengamati bahwa partikel berukuran nano terdistribusi secara seragam dalam bubuk, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b.
Pola difraksi X-ray (XRD) bubuk: a bubuk BLT berukuran nano dan b Bubuk BLT berukuran mikro
PVDF murni dikenal memiliki fasa kristal α, β, dan γ [28]. Untuk menghasilkan piezoelektrik, PVDF konvensional harus terbentuk dalam fasa β. Kami menyelidiki apakah β-PVDF terbentuk menggunakan spektrometer FT-IR, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5. Dari puncak yang terdeteksi pada 1275 dan 840, kami menyimpulkan bahwa kedua pita tersebut dikaitkan dengan β-PVDF.
Spektrometer inframerah transformasi Fourier (FT-IR) film PVDF murni yang disiapkan
Selain itu, untuk menghasilkan piezoelektrik, film PVDF harus mendapatkan polaritas tinggi yang tergantung pada pengaturan unit (–CH₂CF₂–) dalam bahan. Secara umum, PVDF fasa β (β-PVDF) menunjukkan polaritas terbaik di antara tiga fasa kristal karena β-PVDF memiliki semua kutub di arah yang sama. Spektra FTIR film PVDF pada rentang 1400 hingga 700 cm⁻¹ ditunjukkan pada Gambar 5. Hasilnya menunjukkan puncak karakteristik PVDF yang hampir sempurna. Jelas bahwa puncak eksklusif pada 1275 (penggerusan CF₂) dan 840 cm⁻¹ (goyangan CH₂) menunjukkan dominansi fasa β [29,30,31]. Perlu dicatat bahwa film β-PVDF akan terbentuk pada suhu sedang diiringi dengan penguapan pelarut yang lambat. Oleh karena itu, film PVDF murni dan BLT yang di-dope akan lambat menguap pada hot plate pada 60 °C untuk menciptakan PNG.
Performa Generasi Energi PNG dengan PVDF dan Bubuk BLT
Untuk mengonfirmasi efek ukuran partikel bubuk dalam PNG, kami mengukur performa generasi tegangan tanpa treatment listrik medan polling tinggi. Gambar 6 menunjukkan properti generasi tegangan PNG yang disiapkan dengan PVDF dan bubuk BLT (berukuran mikro dan nano). Kami menghitung bagian yang menghasilkan energi (area aktif) yang bersentuhan dengan beban dalam perangkat PNG (Ukuran perangkat: 3,0 cm × 3,0 cm); area aktif PNG adalah 4 cm². Tegangan yang dihasilkan dicatat selama 20 detik menekan dan melepaskan dengan 3 N.
Generasi tegangan sirkuit terbuka PNG dengan PVDF dan Bubuk selama kondisi menekan dan melepaskan
Saat tekanan vertikal diterapkan pada sampel dengan menekan ke atas dan ke bawah, energi potensial piezoelektrik dihasilkan di satu arah sisi. Arah piezoelektrik PVDF murni adalah negatif sepanjang sumbu vertikal dengan polaritas. Terlepas dari ukuran partikel, perangkat PNG yang disiapkan dengan PVDF dan bubuk BLT memiliki tegangan positif seiring dengan polaritas PVDF murni. Setelah menekan sampel, tegangan keluaran diamati meningkat seiring dengan ukuran partikel bubuk BLT. Selain itu, tegangan keluaran PNG dikurangi dengan bubuk (berukuran mikro), di mana tegangan keluaran berkurang dengan menekan, yang menunjukkan bahwa ukuran partikel bubuk diperlukan untuk mendapatkan performa keluaran maksimum nanogenerator. Dibandingkan dengan bubuk berukuran mikro, bubuk berukuran nano mungkin terganggu dalam film. Di antara semua sampel, PNG berukuran nano memiliki tegangan sirkuit terbuka tertinggi sebesar 10 Vₚₖ–ₚₖ. Setelah gaya tekanan diterapkan pada sampel, sampel PNG mempertahankan produksi energi selama sekitar 20 detik, karena bubuk BLT ada di dalam PNG. Kami mengasumsikan bahwa waktu pemulihan 10 detik diperlukan untuk kembali ke tingkat nol (Gambar 7).
Tegangan sirkuit terbuka dan generasi arus komposit PVDF murni dan PVDF/Bubuk selama membengkokkan yang terhubung ke peralatan solusi IV
Kesimpulan
Kami menyiapkan perangkat PNG dengan komposit organik–anorganik yang mengandung PVDF dan BLT. Semua PNG diuji di bawah dua performa panen energi yang berbeda (menekan dan membengkokkan) untuk menyelidiki performa piezoelektrik PNG tanpa treatment listrik medan polling tinggi. Dibandingkan dengan PVDF murni, PVDF yang disisipkan bubuk berukuran mikro menunjukkan properti generasi energi yang lebih rendah. Namun, dengan mengurangi ukuran partikel dalam bubuk, kami mengonfirmasi bahwa performa piezoelektrik meningkat faktor empat karena luas permukaannya yang besar dan distribusi yang seragam dalam perangkat PNG.
Ketersediaan Data dan Bahan
Semua data yang mendukung kesimpulan artikel ini termasuk dalam artikel.
