Effet de la taille des particules de la céramique de titanate de bismuth modifié au lanthane sur l'effet ferroélectrique pour la récupération d'énergie

Introduction

La récupération d'énergie est une technologie prometteuse d'économie d'énergie qui nous permet de vivre sur Terre en permanence. La récupération d'énergie a attiré beaucoup d'attention pour permettre le fonctionnement stable des applications Internet des objets (IoT). Une performance de récupération d'énergie élevée est la clé de la quantité d'énergie et de puissance relativement faible pouvant être collectée. De plus, des fonctions extensibles et portables sont requises pour tous les appareils de pointe [1,2,3]. Les technologies de récupération d'énergie pour collecter les sources d'énergie, qui proviennent du pressage mécanique, des vibrations (piézoélectrique), du gradient de température (thermoélectrique) et de la lumière solaire (photovoltaïque), se sont rapidement développées au cours de la dernière décennie ; ceux-ci impliquent le processus de capture d'énergie à partir d'une ou plusieurs sources d'énergie renouvelables et de sa conversion en énergie électrique utilisable [4,5,6].

La technique piézoélectrique a été la plus couramment utilisée parmi diverses techniques en raison de sa simplicité de transduction et de sa relative facilité de mise en œuvre dans divers domaines d'application. Les systèmes de nanogénérateurs piézoélectriques (PNG) comprennent deux types de systèmes :les céramiques piézoélectriques et les matériaux piézoélectriques organiques à base de polymères piézoélectriques [7, 8]. Les céramiques piézoélectriques ont une grande capacité de collecte d'énergie. Cependant, ils ne se plient pas facilement et sont facilement brisés par un choc mécanique. Comparés aux céramiques piézoélectriques, les polymères piézoélectriques sont plus résistants que les polymères de rupture et de flexion. Des polymères piézoélectriques ont été fabriqués en utilisant des matériaux piézoélectriques organiques. Le poly(fluorure de vinylidène) (PVDF) a été introduit, conduisant à la PNG avec des polymères [9, 10]. Plusieurs tentatives ont été faites pour incorporer des matériaux céramiques et organiques à l'intérieur de la matrice polymère en modifiant la structure du dispositif pour améliorer les performances de récupération d'énergie des polymères piézoélectriques [11,12,13]. De plus, pour des performances élevées dans le dispositif, il a été introduit un traitement de surface ou un contrôle de la taille et de la forme des particules pour une grande surface. [14,15,16].

Dans cette étude, nous avons sélectionné le titanate de bismuth modifié au lanthane (BLT, Bi_3.25 La_0,75 Ti₃ O₁₂ ) céramiques, qui ont été signalées comme des isolants appropriés avec une forte durabilité, une faible température de traitement et de grandes valeurs de polarisation résiduelle [17, 18]. Le BLT provient du Bi₄ dopé au lanthane (La) Ti₃ O₁₂ (BTO) qui est représentatif d'ABO₃ composés pérovskites qui appartiennent aux phases d'Aurivillius. Au lieu des ions Bi près des couches d'octaèdre Ti-O dans le BTO, le dopage aux ions La pourrait améliorer ses propriétés physiques et sa cristallinité en diminuant les lacunes en oxygène et les défauts de structure cristalline [19, 20]. Tout d'abord, une poudre de BLT de taille nanométrique a été préparée par broyage à billes à haute énergie à partir d'une poudre de taille microscopique [21]. À mesure que la taille des particules diminuait, la surface des particules nanométriques s'améliorait jusqu'à 10 fois celle du micro-côté. Ensuite, nous avons synthétisé PNG avec une combinaison de matériaux ferroélectriques pour améliorer ses performances de récupération d'énergie et l'effet sur la taille des particules des céramiques BLT (micro et nano) contenues dans les dispositifs PNG sans polling. Par rapport à la poudre micro-dimensionnée insérée au PNG, nous avons observé que les performances de génération d'énergie étaient plus de quatre fois supérieures à celles du PNG mélangé à la poudre de taille nanométrique.

Méthodes

Matières chimiques de départ

Comme matières chimiques de départ pour le BLT, Bi₂ O₃ (< 99,9%), TiO₂ (< 99,99%), La₂ O₃ (<99,99 %), et les poudres d'oxyde binaire ont été achetées auprès de Kojundo Chemical Company. La poudre de PVDF et le N, N-diméthylacétamide (DMA) et l'éthanol ont été achetés auprès de la Sigma-Aldrich Chemical Company. Tous les matériaux chimiques et solvants ont été utilisés sans autre purification au cours de la procédure expérimentale.

Exemples de fabrication

Nous avons fabriqué un PNG en suivant les trois étapes suivantes :Étape 1 . Synthèse de poudre BLT : Sur la base de nos rapports précédents [22, 23], nous avons préparé de la poudre de BLT avec des particules de taille microscopique. Les poudres composites d'oxyde BLT telles que préparées étaient Bi_3.25 La_0,75 Ti₃ O₁₂ . Tout d'abord, les réactifs chimiques de départ, l'éthanol et les billes de broyage de zircone ont été transférés dans une bouteille en téflon et soigneusement mélangés dans un broyeur à boulets mécanique (200 tr/min) pendant 24 h. Après que le mélange a été complètement séché dans un four (80 °C), les mélanges obtenus ont été calcinés à 850 °C pendant 3 h (5,2 °C/min). Étape 2 . Contrôle de la taille des particules après calcination : La poudre en vrac (micro-taille) a été traitée dans un système de broyage à billes à haute énergie (modèle UAM-015, Kotobuki) avec de l'éthanol et des billes de zircone (Ø < 0,1 mm). Avant le traitement de l'échantillon, nous avons dispersé de la poudre de BLT (3 g) et des billes de zircone (400 g) dans de l'éthanol (500 mL) ; la solution de mélange a été fournie à un récipient de 0,15 L. Le processus de broyage à boulets a été effectué dans la cuve à une vitesse de rotor de 40 Hz, correspondant à 3 315 tr/min, pendant 3 h. Étape 3. Fabrication de PNG avec de la poudre BLT : La poudre de PVDF et de BLT (40 % en poids) a été dispersée dans la solution de DMA et agitée pendant 2 h à température ambiante. La solution de mélange a été déposée sur un substrat de verre sodocalcique et centrifugée à 1000 tr/min pendant 30 s. Après le processus de revêtement par centrifugation, les échantillons ont été transférés sur une plaque chauffante et séchés à 60 °C pendant 3 h pour évaporer le solvant. Les films PVDF et BLT ont été obtenus par pelage du substrat de verre. Les appareils PNG ont été assemblés avec des films insérés entre des feuilles de cuivre prises en sandwich comme électrodes supérieure et inférieure. Les conditions détaillées de la procédure sont illustrées à la Fig. 1.

Processus de fabrication de PNG contenant du PVDF et de la poudre BLT

Mesures

Les propriétés morphologiques et microstructurales des poudres BLT synthétisées de taille micro et nanométrique ont été observées par microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM, Hitachi, S-4700) et au microscope électronique à transmission (TEM, JEOL LTD, JEM-2100F HR) . La taille des particules de poudre et les distributions de forme dans les films complexes PVDF-poudre dans le dispositif PNG ont été observées à l'aide d'un système de faisceau d'ions focalisé (FIB, Nova Nano, SEM200). Les mesures d'adsorption-désorption d'azote ont été effectuées sur un analyseur de surface BET, et les surfaces spécifiques et les volumes de pores ont été calculés à l'aide de la méthode Brunauer-Emmett-Teller (BET, Micromeritics, ASAP 2020). La distribution de la taille des pores de la poudre a été estimée à partir des branches d'adsorption des isothermes en utilisant la méthode Barrett-Joyner-Halenda (BJH). La tension et le courant générés ont été mesurés à l'aide d'un système de solution IV (mètre source, Keithley 2410).

Test de propriété piézoélectrique pour les performances de production d'énergie

Pour évaluer les propriétés de génération d'énergie des échantillons, nous avons utilisé deux types de modes différents :(1) presser/dépresser et (2) plier/relâcher, comme le montre la performance de récupération d'énergie de la figure 1c. Tout d'abord, la génération de tension des échantillons a été mesurée en appuyant et en relâchant le poids (surface :1,77 cm ² , 194 g) au milieu de l'appareil PNG. Ensuite, les échantillons (dispositifs PNG) ont été chargés sur le substrat en polycarbonate et connectés à l'équipement de solution IV. Pour le pliage d'échantillons à une vitesse de 1 fois/s, nous avons mesuré le courant et la tension générés des appareils PNG préparés avec et sans poudre BLT.

Résultats et discussions

Réglage de la taille des particules de la céramique BLT et du PVDF

Après que la poudre BLT ait été soumise à un broyage à billes à haute énergie, la taille des particules de la poudre est devenue plus petite et plus étroite. Comme le montre la figure 2, la surface BET de la poudre est passée de 1,5297 à 33,8305 m ² /g. La surface des échantillons dépendait de la taille de leurs particules. Les figures 2c et d montrent l'isotherme d'adsorption/désorption d'azote des échantillons (BJH, BET). Les surfaces BET des échantillons micro et nanométriques sont d'environ 1,12 et 30,67 m ² /g, respectivement. Les profils isothermes de tous les échantillons appartiennent au type II avec une boucle d'hystérésis H3 avec une boucle d'hystérésis prononcée selon la classification IUPAC [24, 25]. Ce type d'isotherme à faible pression relative indique que les échantillons ont des surfaces non poreuses.

Images FE-SEM et isotherme d'adsorption-désorption d'azote et distribution de la taille des pores de céramiques BLT préparées et traitées par broyage à billes à haute énergie pendant 3 h ; un et c micro-taille, et b et d poudre de taille nanométrique

Il ressort clairement de la Fig. 2a que la morphologie de la poudre micrométrique est principalement dominée par la présence de grains à bords irréguliers avec un polygone de taille aléatoire. Nous avons observé que la taille des particules diminuait par rapport aux images FE-SEM de la figure 2b après un broyage à billes à haute énergie. Comme prévu à partir du FE-SEM et du BET sur la figure 2, l'observation du MET peut être confirmée que la taille et la forme des particules ont été modifiées dans une série d'échantillons de la figure 3. La poudre de BLT calibrée est composée de grains d'une taille inférieure à 100 nm. Par conséquent, la poudre BLT avec des particules de taille nanométrique peut avoir une surface spécifique plus grande, ce qui peut être très utile pour la distribution formelle afin d'améliorer la production d'énergie dans le dispositif NG [21, 26].

Images MET de poudre BLT après et avant traitement par broyage à billes à haute énergie ; un et b Micro-taille et c et d Taille nanométrique

L'effet de la taille des particules dans la poudre est illustré dans les schémas XRD de la figure 4. Les pics XRD des poudres correspondaient bien aux pics standard de la structure orthorhombique, bien que la taille des particules de la poudre BLT ait diminué. Par rapport aux raies de diffraction nettes avec la haute intensité de la poudre micrométrique, celle de la poudre nanométrique s'est considérablement élargie avec une intensité plus faible en raison de l'augmentation de la déformation du réseau interne lors du broyage à billes [23, 26]. Nous avons confirmé que la structure d'Aurivillius indexée en supposant des pics significatifs (117), (020) et (208) était maintenue sans rupture de symétrie malgré le changement de taille des particules par broyage à billes à haute énergie. La taille des cristallites des produits a été déterminée à partir des pics les plus significatifs (117) dans les modèles XRD selon l'équation de Scherrer, D = Kλ /β cosθ , où λ est la longueur d'onde des rayons X (1,54056 Å), est la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM), θ est l'angle de Bragg et K est le facteur de forme [27]. Leur taille de cristallite était ~ 50 nm. Nous avons observé que des particules de taille nanométrique étaient uniformément réparties dans la poudre, comme le montre la figure 2b.

Diagrammes de diffraction des rayons X (XRD) des poudres :a poudre de BLT nanométrique et b Poudre BLT micro-taille

Le PVDF pur est connu pour son α , β , et γ phases cristallines [28]. Pour générer de la piézoélectricité, du PVDF conventionnel doit être formé dans le β -phase. Nous avons examiné si le -PVDF s'était formé à l'aide d'un spectromètre FT-IR, comme le montre la figure 5. À partir des pics détectés situés à 1275 et 840, nous avons conclu que les deux bandes étaient attribuées au β-PVDF.

Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR) de film PVDF pur préparé

De plus, pour générer de la piézoélectricité, le film PVDF doit acquérir une polarité élevée qui dépend de la disposition de (–CH₂ CF₂ –) unités dans le matériau. En général, le PVDF de phase (β-PVDF) présente la meilleure polarité parmi les trois phases cristallines car le -PVDF possédait tous les pôles dans la même direction. Spectre FTIR du film PVDF dans la plage 1400 à 700 cm ⁻¹ est illustré à la Fig. 5. Le résultat présente des pics presque caractéristiques de PVDF. Il est clair que les pics exclusifs à 1275 (CF₂ flexion) et 840 cm ⁻¹ (CH₂ bascule) indiquait une dominante de phase [29,30,31]. Il convient de noter qu'un film de β-PVDF se formerait à une température modérée accompagnée d'une lente évaporation du solvant. Par conséquent, les films PVDF de particules pures et dopées de BLT s'évaporent lentement sur la plaque chauffante à 60 °C pour créer les PNG.

Performance de génération d'énergie de PNG avec poudre PVDF et BLT

Pour confirmer l'effet de la taille des particules de poudre dans le PNG, nous avons mesuré les performances de génération de tension sans traitement de polarisation de champ électrique élevé. La figure 6 montre la propriété de génération de tension du PNG préparé avec des poudres de PVDF et de BLT (de taille micro et nanométrique). Nous avons calculé la partie productrice d'énergie (surface active) en contact avec le poids dans l'appareil PNG (Taille de l'appareil :3,0 cm × 3,0 cm); la surface active du PNG était de 4 cm ² . La tension générée a été enregistrée pendant 20 s de pression et de détente avec 3 N.

Génération de tension en circuit ouvert de PNG avec PVDF et poudre pendant les conditions de pressage et de relâchement

Lorsqu'une contrainte verticale est appliquée aux échantillons en appuyant de haut en bas, l'énergie potentielle piézoélectrique est générée dans une direction latérale. La direction piézoélectrique du PVDF pur est négative le long de l'axe vertical avec polarité. Quelle que soit la taille des particules, le dispositif PNG préparé avec les poudres PVDF et BLT avait une tension positive ainsi que la polarité du PVDF pur. Après avoir pressé les échantillons, la tension de sortie a été observée à mesure que la teneur augmentait avec la taille des particules des poudres BLT. De plus, la tension de sortie PNG a été réduite avec de la poudre (micro-taille), où la tension de sortie diminuait avec le pressage, suggérant que la taille des particules de la poudre est nécessaire pour obtenir les performances de sortie maximales du nanogénérateur. Par rapport à la poudre de taille micro, la poudre de taille nano peut être perturbée dans le film. Parmi tous les échantillons, le PNG de taille nanométrique avait la tension en circuit ouvert la plus élevée de 10 V _pk-pk . Une fois que la force de contrainte a été appliquée aux échantillons, les échantillons PNG ont maintenu la production d'énergie pendant environ 20 s, car la poudre de BLT était présente à l'intérieur du PNG. Nous avons supposé qu'un temps de récupération de 10 s est nécessaire pour revenir au niveau zéro (Fig. 7).

Tension en circuit ouvert et génération de courant de PVDF pur et de composites PVDF/poudre pendant le cintrage connecté à l'équipement de solution IV

Conclusions

Nous avons préparé des dispositifs PNG avec des composites organiques-inorganiques contenant du PVDF et du BLT. Tous les PNG ont été testés sous deux performances différentes de récupération d'énergie (pressage et flexion) pour étudier les performances piézoélectriques du PNG sans polarisation de champ électrique élevé. Comparé au PVDF pur, le PVDF inséré en poudre de petite taille présentait des propriétés de génération d'énergie inférieures. Cependant, en diminuant la taille des particules dans la poudre, nous avons confirmé que les performances piézoélectriques étaient améliorées d'un facteur quatre en raison de sa grande surface et de sa distribution uniforme dans les appareils PNG.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données étayant les conclusions de cet article sont incluses dans l'article.

Abréviations

PNG :

Nanogénérateur piézoélectrique

BLT :

Titanate de bismuth modifié au lanthane (Bi_4−X La_X Ti₃ O₁₂ )

PVDF :

Poly(fluorure de vinylidène)

FE-SEM :

Microscopie électronique à balayage à émission de champ

TEM :

Microscope électronique à transmission

XRD :

Diffraction des rayons X

FWHM :

Pleine largeur à mi-hauteur

FT-IR :

Infrarouge à transformée de Fourier