Synthèse d'un film de nanofibre composite polymère céramique à base d'oxyde de graphène réduit dopé à l'azote pour des applications de dispositifs portables

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15583 (2022) Citer cet article

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Dans cette étude, des films de nanofibres composites piézoélectriques ont été fabriqués en introduisant de l'oxyde de graphène réduit dopé à l'azote comme matériau conducteur dans un polymère P (VDF-TrFE) et un composite céramique BiScO3 – PbTiO3 utilisant un procédé d'électrofilage. L'azote a été dopé/substitué dans rGO pour éliminer ou compenser les défauts formés au cours du processus de réduction. Le processus d'électro-filage a été utilisé pour extraire les films de nanofibres composites piézoélectriques dans des conditions d'autopolation. Des électrodes interdigitées ont été utilisées pour fabriquer des récupérateurs d'énergie de type planificateur afin de collecter l'énergie électromécanique appliquée au récupérateur d'énergie flexible. A partir du composite piézoélectrique à électrode interdigitée, la permittivité diélectrique effective extraite de la méthode de cartographie conforme. En introduisant des céramiques BS – PT et des conducteurs N-rGO dans les films de nanofibres composites piézoélectriques P (VDF-TrFE), la permittivité diélectrique effective a été améliorée de 8, 2 à 15, 5. Cette constante diélectrique efficace améliorée provient probablement de l'augmentation de la densité de flux électrique due à l'augmentation de la conductivité. L'électrode interdigitale fabriquée à l'aide de ce film mince de nanofibres composites a été conçue et testée pour des applications d'appareils portables. Une force mécanique externe de 350 N a été appliquée au collecteur d'énergie composite à base de nanofibres avec des électrodes interdigitées à une fréquence de 0, 6 Hz, la tension et le courant de crête étaient respectivement de 13 V et 1, 25 μA. En optimisant la fabrication du dispositif, la tension en circuit ouvert, la tension stockée et la puissance de sortie générée obtenues étaient respectivement de 12,4 V, 3,78 V et 6,3 μW.

Les matériaux composites piézoélectriques à base de polymères et de céramiques ont attiré une attention particulière en raison de leurs propriétés électriques et mécaniques supérieures, telles que la flexibilité, la piézoélectricité et la robustesse1,2,3. En général, les polymères piézoélectriques sont basés principalement sur les matériaux PVDF et P(VDF-TrFE)4,5. Leurs propriétés électriques peuvent être améliorées en ajoutant des céramiques piézoélectriques pour fabriquer des structures composites piézoélectriques. Bien que des composites piézoélectriques aient été réalisés, des limitations dans l'amélioration de leurs propriétés piézoélectriques existent en raison de leurs comportements résistifs. Pour surmonter ces limitations, des matériaux conducteurs peuvent être ajoutés aux composites piézoélectriques pour améliorer leurs propriétés électriques. Le rGO bidimensionnel (2D) est largement utilisé comme matériau conducteur qui peut être facilement mélangé avec d'autres composants pour améliorer les propriétés électriques et mécaniques6,7,8. Par conséquent, l'introduction de rGO dans des polymères piézoélectriques, notamment le PVDF et le P(VDF-TrFE), peut entraîner une amélioration des propriétés piézoélectriques9,10. Cependant, de nombreux défauts sont induits lors du processus de réduction de rGO, ce qui peut entraver ses propriétés de transport d'électrons. Ces défauts peuvent être très préjudiciables pour les applications piézoélectriques car ils perturbent le champ électrique11,12. rGO a été largement étudié pour les applications de dispositifs fonctionnels bidimensionnels en raison de sa conductivité électrique élevée et de sa flexibilité13,14. Cependant, les défauts provenant du processus de réduction diminuent les propriétés électriques de rGO. Pour surmonter les propriétés conductrices diminuées, N a été dopé/substitué en rGO bidimensionnel. Le dopage/substitution de N peut surmonter les défauts de rGO, entraînant une conductivité électrique plus élevée6.

Les films de nanofibres piézoélectriques à base d'ingrédients polymères et céramiques présentent plusieurs avantages par rapport à d'autres structures composites, tels que la flexibilité et la piézoélectricité13,15. Un film de nanofibres a une flexibilité supérieure en raison de son rapport d'aspect élevé par rapport à d'autres matériaux composites et céramiques. Un procédé d'électrofilage a été conçu et adopté pour fabriquer des structures fiables en nanofibres et nanofibres composites. L'électrofilage est une technique qui produit des nanofibres de polymères, de céramiques et de métaux en appliquant un champ électrique. Ce processus peut former des nanofibres à partir de molécules complexes et peut fonctionner à basse température16,17.

Le processus d'électrofilage a été utilisé pour fabriquer des nanofibres composites piézoélectriques dopées/substituées N-rGO à base de polymère P (VDF-TrFE) et de céramiques BS – PT. Le processus d'électrofilage présente de nombreux avantages par rapport à d'autres processus de fabrication physique, car il peut s'agir d'un processus de fabrication à faible coût en extrayant des nanofibres composites piézoélectriques dans des conditions d'autopolation. De plus, les nanofibres composites N-rGO et piézoélectriques hautement conductrices peuvent être bien mélangées pendant le processus de préparation avant le processus d'électro-filature. En conséquence, la nanofibre composite piézoélectrique dopée N-rGO peut être appliquée à différents types d'applications de dispositifs portables.

Le principal avantage de ce N-rGO synthétisé avec une nanofibre composite est la conductivité accrue du N-rGO par rapport à celle du rGO. L'azote joue le rôle d'éliminer les défauts dans le rGO ou de se substituer au carbone dans les matériaux rGO. Par conséquent, cette conductivité accrue peut améliorer les effets d'électrode flottante dans les matériaux composites piézoélectriques. En outre, les résultats représentatifs de ce manuscrit par rapport à d'autres articles peuvent être résumés comme suit. Des composites de nanofibres composites piézoélectriques dopés N-rGO à base de polymère et de BiScO3 – PbTiO3 ont été fabriqués sous la forme de récupérateurs d'énergie piézoélectriques plans avec des électrodes interdigitées. C'était la première fois que l'on rapportait les effets d'électrodes flottantes améliorés basés sur les récupérateurs d'énergie piézoélectriques de type planificateur.

Pour les applications des dispositifs, des électrodes interdigitées ont été conçues et utilisées pour les nanofibres composites piézoélectriques dopées/substituées N-rGO à base de polymère P (VDF-TrFE) et de céramiques BS – PT. Presque tous les appareils portables sont basés sur la structure de type planificateur, l'électrode de type vertical classique ne peut pas être appliquée pour les applications de l'appareil. Les forces mécaniques appliquées peuvent être converties en énergies électriques à travers l'électrode interdigitale sur les nanofibres piézoélectriques. La permittivité diélectrique effective peut être simulée et calculée en utilisant le processus de cartographie conforme. En extrayant les différentes valeurs de permittivité diélectrique effective des nanofibres composites piézoélectriques, nous pensons que les nanofibres piézoélectriques dopées N-rGO avec électrode de type planificateur peuvent être appliquées pour les diverses applications de dispositifs portables.

Dans cette étude, des films de nanofibres composites comprenant des polymères P (VDF-TrFE) incorporés au N-rGO et des céramiques BiScO3 – PbTiO3 ont été préparés par électrofilage. Des collecteurs d'énergie piézoélectriques flexibles basés sur ces composites ont été étudiés pour une utilisation dans des applications électroniques portables.

Les puissances Bi2O3, Sc2O3, PbO et TiO2 ont été utilisées comme matières premières. En considérant le degré de volatilisation des éléments Bi2O3, 0,01 mol de Bi en excès a été ajouté aux compositions BS-PT. Le mélange a été broyé avec une bille de zircone stabilisée. Ensuite, le mélange a été calciné et fritté sous forme de poudre. Les poudres frittées ont été contrôlées pour avoir moins de 50 μm. Enfin, les poudres ont été broyées à billes par broyage planétaire.

Le rGO dopé à l'azote a été préparé par une méthode Hummers modifiée18. Du graphite et de la poudre de NaNO3 ont été ajoutés au H2SO4 en agitant dans le bain. KMnO4 a ensuite été ajouté lentement à la solution. De l'eau désionisée a été ajoutée aux solutions et agitée pendant 1 h, suivie de l'ajout de 10 ml de H2O2. Pour éliminer les ions oxydants et autres impuretés inorganiques, de l'eau distillée et une solution aqueuse de HCl 1:10 ont été ajoutées et centrifugées, et le mélange a été lavé plusieurs fois. De l'hydrate d'hydrazine a été ajouté à la solution pour fabriquer du rGO. Pour produire du rGO dopé à l'azote, de l'oxyde de graphène et du NH3NO3 ont été ajoutés à une solution d'éthanol et agités. Pour éliminer l'éthanol, la solution a été chauffée à 60°C. Le mélange séché a été calciné et lavé avec de l'eau désionisée et de l'éthanol.

La figure 1a montre un schéma du processus de fabrication d'un récupérateur d'énergie piézoélectrique flexible basé sur un film de nanofibres composites. Pour préparer la solution composite, du P(VDF-TrFE) (Solvay Co. Ltd.), de l'acétone (Sigma-Aldrich Co. Ltd., pureté : 99,5 %) et du N,N-diméthylformamide (DMF, Sigma-Aldrich Co., Ltd., pureté : 99,8 %) ont été mélangés dans un rapport pondéral de 2:5:5 et agités pendant 24 h. Ensuite, des nanoparticules de BiScO3 – PbTiO3 (BS-PT) (30 % en poids) et des poudres de N-rGO (5 % en poids) ont été ajoutées au mélange et agitées. Enfin, des solutions composites P(VDF-TrFE) et P(VDF-TrFE)/BS-PT ont été obtenues. La solution composite a été chargée dans une seringue en plastique de 10 ml avec une buse métallique de 21 G, puis électrofilée. Le processus d'électrofilage a été réalisé en utilisant un champ électrique de 1,2 kV/cm, un débit d'alimentation de 1 mL/h, une distance entre la pointe de l'aiguille et le collecteur de 12 cm et une température de substrat de 55 °C.

Schémas des processus de fabrication pour (a) un film composite de nanofibres et (b) un récupérateur d'énergie piézoélectrique.

Comme le montre la figure 1a, le processus d'électrofilage a été appliqué à un substrat de polyimide recouvert d'une électrode interdigitée pour fabriquer un dispositif de récupération d'énergie basé sur des films de nanofibres composites. La figure 1b montre un schéma du processus de fabrication d'un récupérateur d'énergie piézoélectrique avec des électrodes interdigitées. L'électrode interdigitée avait vingt paires de doigts en Cu avec des tailles et des espaces de 100 µm. Les électrodes interdigitées sont efficaces pour mesurer les capacités planes ; par conséquent, ces électrodes sont utiles dans les applications de récupération d'énergie, où un grand nombre de charges piézoélectriques sont développées et retenues. Après ce processus, le polydiméthylsiloxane (PDMS) a été utilisé pour encapsuler le dispositif pour la stabilité et la protection. Les structures cristallines des échantillons ont été déterminées par diffraction des rayons X (XRD, Bruker-AXS ; New D8-Advance). La microscopie électronique à balayage à émission de champ (FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA HD) a été réalisée pour étudier les microstructures des films de nanofibres composites. La tension et le courant de sortie générés ont été analysés à l'aide d'un oscilloscope (DSO-X2002A, Agilent Technologies) et d'un femto/picoampèremètre (B2981A, Agilent Technologies). La tension stockée du dispositif de récupération d'énergie a été mesurée dans le condensateur externe d'un redresseur à pont complet.

La figure 2a montre une image FE-SEM de films de nanofibres composites P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO. La nanofibre composite était longue et lisse, avec un diamètre d'environ 800 nm. Les particules submicrométriques étaient bien dispersées sur la nanofibre, ce qui suggère une compatibilité élevée entre les particules céramiques fonctionnelles submicroniques et la matrice P(VDF-TrFE) dopée N-rGO. Dans la figure 2b, les données d'analyse de composition EDS ont été affichées avec différentes couleurs. Différentes compositions élémentaires ont été détectées. La composition de C, F, N, O, Bi, Sc, Pb et Ti a été distribuée dans des films de nanofibres composites P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO ; les pourcentages atomiques et massiques correspondants sont indiqués dans le tableau 1.

(a) image FE-SEM du film composite de nanofibres P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO, (b) données EDS pour le film composite de nanofibres P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO avec différents composites (c) schéma du composant d'électrode flottante de N-rGO dans la structure des nanofibres, (d) images TEM claires des images TEM du film P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO.

La figure 2c montre un schéma d'électrodes flottantes de particules conductrices de N-rGO contenues dans la structure de nanofibres composites. Les N-rGO conducteurs dispersés agissent comme des électrodes flottantes dans les composites, qui aident à collecter les charges des matériaux piézoélectriques.

La figure 2d montre les images TEM mesurées en mode de contraste masse-épaisseur. Dans le mode d'image en champ clair Fig. 2c, les pièces en céramique peuvent être vues dans les images sombres tandis que la partie en polymère peut être vue dans la couleur vive. Par conséquent, nous nous attendons à ce que les particules de céramique piézoélectriques BS – PT et les électrodes flottantes conductrices N-rGO dans les structures de nanofibres composites améliorent la puissance de sortie des récupérateurs d'énergie.

Les schémas de diffraction des rayons X (XRD) des films de nanofibres composites P (VDF-TrFE), P (VDF-TrFE) / BS – PT et P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO sont illustrés à la Fig. 3. Les films P (VDF-TrFE) présentent des pics de la phase β (110/200) à 2θ = 19, 8 °. Cette structure polymère en phase β a des propriétés ferroélectriques résultant de l'arrangement atomique. Les modèles XRD de films de nanofibres composites P (VDF-TrFE) / BS – PT ont indiqué la formation de la structure polymère en phase β; cependant, la cristallinité était inférieure à celle du film composite P(VDF-TrFE)/BS-PT. La quantité de polymère en phase ß a semblé diminuer au cours du processus de fabrication. Cependant, une petite quantité du polymère en phase ß restait après le traitement. Les pics BS – PT dans les mesures XRD ont indiqué que les nanoparticules piézoélectriques BS – PT étaient bien dispersées dans les films de nanofibres composites P (VDF-TrFE) / BS – PT. Ce résultat suggère que les nanoparticules de céramique BS – PT étaient non seulement efficacement dispersées dans les nanofibres de P (VDF-TrFE), mais qu'elles n'étaient pas non plus perturbées pendant le processus d'électrofilage.

Modèles XRD des films de nanofibres P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE)/BS-PT et P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO.

La figure 4a montre le spectre de balayage de l'enquête XPS de N-rGO et la composition chimique de chaque élément. Les pics de carbone, d'azote et d'oxygène sont apparus autour de 285,2 eV, 399,5 eV et 533,0 eV, et les rapports atomiques ont été confirmés comme étant de 73,9 %, 6,1 % et 20,0 %, respectivement.

( a ) Enquête XPS et ( b ) balayage N 1 s de N-rGO synthétisé et ( c ) résistance de feuille en fonction de la température de dépôt de rGO, N-rGO.

La figure 4b montre l'état de liaison de N 1 s. Dans N-rGO, le pic N 1 s peut être séparé en N de type pyridinique (398,5 eV) qui représente l'azote situé sur le cycle à 6 chaînons, N de type pyrrolique (400,1 eV) qui représente l'azote situé sur l'azote dans un cycle à cinq chaînons, et N de type graphitique (402,7 eV) pics19. Le rapport de liaison de N de type pyridinique, de N de type pyrrolique et de N de type graphitique était d'environ 21,2 %, 51,3 % et 27,5 %, respectivement.

La figure 4c montre la résistance de feuille des films rGO et N-rGO après le processus de recuit thermique rapide (RTA). À la suite de l'exécution du processus RTA à 700 ° C, la résistance de feuille la valeur la plus basse du film rGO était de 5,29 kΩ/sq. Le film N-rGO était de 3,37 kΩ/sq. À toutes les températures de traitement, la résistance de feuille du film N-rGO était inférieure à celle du film rGO. Par conséquent, en raison de la conductivité élevée de N-rGO, les films de nanofibres composites piézoélectriques à base de N-rGO devraient avoir des propriétés électriques et une piézoélectricité améliorées.

La figure 5a montre un schéma d'un récupérateur d'énergie de nanofibre composite à base de substrat PI flexible avec des électrodes interdigitées. Une technique de cartographie conforme a été appliquée pour extraire la permittivité diélectrique effective de la capacité analysée de l'électrode interdigitée. L'analyse de cartographie conforme permet de modifier la distribution du champ électrique de coordonnées rectangulaires à circulaires. En conséquence, la permittivité diélectrique effective du film de nanofibres composites et du substrat PI, εn et εs, a pu être estimée, comme le montre la figure 5a. La condition indispensable pour utiliser une cartographie conforme à un substrat bicouche est εn > εs. Sinon, le champ électrique ne peut pas être confiné à l'intérieur de la couche de nanofibres composites. Comme le montre la figure 5a, W est la largeur du doigt, G est l'espace entre les doigts, λ est la longueur d'onde spatiale du condensateur interdigital (IDC), t est l'épaisseur du motif d'électrode métallique et hn est la hauteur du film et du substrat de nanofibres. Nous avons obtenu des modèles analytiques de l'IDC suite aux travaux de Gevorgian20,21. Les équations d'Igreja modifiées pour les capacités des électrodes internes (CI) et externes (CE) ont été déterminées, comme le montre la figure 5b, où il a été supposé que l'épaisseur du substrat n'était pas infinie et que la couche d'air sous le substrat était infiniment épaisse. Les équations de l'IDC peuvent alors s'exprimer comme suit21 :

où K est les intégrales elliptiques définies ci-dessous ; k et k' sont des arguments de chaque intégrale elliptique définie ci-dessous ; \({C}_{I,n}\), \({C}_{I,s}\), \({C}_{E,n}\) et \({C}_{E,s}\) sont les capacités d'électrode intérieure et extérieure du film de nanofibres (n) et du substrat (s), respectivement ; L est la longueur des doigts ; εn est la permittivité diélectrique effective du film de nanofibres ; et εs est la permittivité diélectrique effective du substrat. De plus, la relation entre les modules des intégrales elliptiques k et k' est la suivante :

(a) Vue en coupe d'un substrat à deux couches pour IDC, (b) circuit équivalent pour IDC et (c) permittivité diélectrique effective des films de nanofibres composites.

Cette analyse de cartographie conforme a permis de calculer la permittivité diélectrique effective. La constante diélectrique extraite, comme le montre la Fig. 5c, était d'environ 8,2, 12,3, 13,9 et 15,5 pour P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE)/BS–PT, P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO et P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO, respectivement. La permittivité diélectrique effective plus élevée de P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO a été attribuée au comportement de l'électrode flottante, comme décrit à la Fig. 2b. L'électrode flottante N-rGO dans la nanofibre composite permet aux charges d'être plus facilement attirées et collectées par les électrodes interdigitées. Par conséquent, la permittivité diélectrique effective a été améliorée en raison des densités de flux électriques accrues résultant de la charge accrue dans les électrodes interdigitées. De plus, du fait de la conductivité élevée du N-rGO, on constate que la formation de charges dans le film composite est renforcée et les propriétés diélectriques sont améliorées par rapport à celle du rGO.

La figure 6a montre un schéma du système de mesure pour le récupérateur d'énergie. Le système de force mécanique était connecté à un récupérateur d'énergie avec un système de circuit et était contrôlé par un ordinateur. Une force mécanique externe de 350 N a été appliquée à la nanofibre composite avec des électrodes interdigitées à une fréquence de 0,6 Hz. La puissance de sortie générée a été enregistrée par l'ordinateur. Les figures 6b,c montrent des tensions et des courants de sortie positifs et négatifs répétés générés lors de la poussée et de la libération continues de la force mécanique externe pour P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO. La tension en circuit ouvert et le courant de court-circuit générés ont été mesurés et enregistrés. La tension et le courant de pointe du collecteur d'énergie basé sur le film de nanofibres composites étaient de 11,2 V et 1,09 μA en P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, 13 V et 1,25 μA en P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO. Les valeurs positives des tensions et des courants sont attribuées à la contrainte appliquée, tandis que les valeurs négatives sont attribuées à la libération de la contrainte ; par conséquent, les valeurs négatives sont toujours plus petites que les valeurs positives.

(a) Schéma du système de mesure, tension en circuit ouvert et courant de court-circuit de (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, (c) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO récupérateur d'énergie basé sur des films de nanofibres composites.

La figure 7a montre les tensions et courants de sortie mesurés du collecteur d'énergie basé sur le film de nanofibres composites avec différentes résistances de charge. Pour mesurer la puissance de sortie générée du système de récupération d'énergie, une résistance de charge ou un condensateur a été utilisé pour mesurer la puissance et l'énergie de sortie maximales. La densité de puissance maximale a été obtenue en optimisant la résistance de charge. En faisant varier la résistance de charge, le courant de charge de sortie a été réduit de 1,27 à 0,2 μA et la tension de charge de sortie a été augmentée de 0,15 à 13,2 V.

(a) Tension et courant de sortie, (b) puissance, (c) tension stockée et (d) fiabilité du collecteur d'énergie du film composite de nanofibres.

La figure 7b montre la puissance de sortie générée par le récupérateur d'énergie. La puissance de sortie a été calculée à partir de la tension et du courant aux bornes de la charge. La tension et le courant de sortie ont été mesurés à une résistance de charge externe, allant de 100 kΩ à 500 MΩ, qui était connectée au collecteur d'énergie du film de nanofibres composites. La puissance de sortie peut être exprimée comme suit :

où IL et VL sont respectivement le courant et la tension de sortie aux bornes de la résistance de charge. Comme le montre la figure 7b, la puissance de sortie du récupérateur d'énergie a d'abord augmenté puis diminué. La puissance de sortie maximale était de 6,3 μW à une résistance de charge optimisée de 37 MΩ, correspondant à une tension de 9,27 V et un courant de 0,68 μA. Après cette valeur de crête, la puissance de sortie générée a diminué. De plus, la densité de puissance peut être exprimée comme suit :

La puissance de sortie générée du collecteur d'énergie piézoélectrique basé sur le film de nanofibres composites était de 0,63 mW/cm3.

Le courant de charge peut être exprimé par :

où Rpiezo et RL sont respectivement les résistances du film de nanofibres composites et de la charge. Par conséquent, l'éq. (5) peut être exprimé par :

La valeur maximale de PL se produit à la valeur minimale du dénominateur et, par conséquent, la dérivée du dénominateur de PL peut être exprimée comme suit :

Par conséquent, la valeur PL maximale se produit lorsque Rpiezo = RL. Dans notre étude, la résistance de charge optimisée a été mesurée à 37 MΩ, et donc, selon la formule ci-dessus, la résistance du récupérateur d'énergie piézoélectrique, \({R}_{piezo}\), est estimée à 37 MΩ.

Les figures 7c, d montrent les résultats de tension et de fiabilité stockés du récupérateur d'énergie basé sur le film de nanofibres composites. La tension stockée du récupérateur d'énergie a augmenté jusqu'à 3,78 V lorsque des forces mécaniques ont été appliquées. Les propriétés de sortie du film de nanofibres composites ont été comparées à d'autres composites piézoélectriques polymère/céramique et sont résumées dans le tableau 222,23,24,25,26. Comme le montre le tableau 2, par rapport à d'autres recherches, du N-rGO hautement conducteur a été introduit dans la nanofibre composite piézoélectrique pour améliorer les propriétés électromécaniques, utilisées dans le récupérateur d'énergie. Par conséquent, l'énergie de sortie du récupérateur d'énergie a été augmentée de manière importante par rapport à d'autres résultats récents. Le résultat a été comparé et répertorié dans le tableau 2.

Des forces mécaniques externes périodiques ont été appliquées pour examiner la fiabilité des performances de sortie du système de récupération d'énergie en nanofibres composites. Plus de 1000 cycles de forces mécaniques ont été appliqués au récupérateur d'énergie à base de nanofibres composites. La force mécanique appliquée était d'environ 300 N à une fréquence de 1,5 Hz. La tension générée a été enregistrée simultanément à l'aide d'un oscilloscope. Le récupérateur d'énergie piézoélectrique flexible a présenté une performance de sortie stable même sous une pression externe constante. Les résultats indiquent que le récupérateur d'énergie basé sur le film de nanofibres composites présente une performance de sortie exceptionnelle sans aucune fatigue.

La figure 8 montre les performances de sortie des dispositifs portables sous différentes fréquences de chargement dans des films de nanofibres composites P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO et P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO. Au fur et à mesure que la fréquence de chargement augmentait, les tensions et le courant de sortie étaient diminués. Dans P (VDF-TrFE) / BS – PT / rGO, les tensions et courants de sortie ont été réduits de 11, 2 V, 1, 09 μA à 7, 2 V, 0, 72 μA, et dans le film de nanofibres composites P (VDF-TrFE) / BS – PT / N-rGO, il est passé de 13, 3 V et 1, 29 μA à 9, 3 V et 0, 91 μA. P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO a montré de meilleures performances de sortie que P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO à toutes les fréquences de chargement. En conséquence, après la relaxation des contraintes, une contrainte a été appliquée avant la récupération, ce qui a entraîné une réduction des performances de sortie.

Tension de circuit ouvert et courant de court-circuit à 0,6, 1,2 et 1,8 Hz pour (a), (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO et (c), (d) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO films de nanofibres composites piézoélectriques.

La figure 9 montre la tension de sortie mesurée et l'appareil fabriqué dans les conditions de la vie quotidienne. Le dispositif fabriqué a été testé dans des conditions de pas, de tapotement et de claquement. Les tensions de sortie étaient de 16,7 V et 3,4 V dans les conditions étagées et pressées de l'appareil. Lorsque la main frappait, une tension de sortie allant jusqu'à 7,3 V pouvait être obtenue et une tension de sortie aléatoire était mesurée. Ce résultat est dû à l'impact irrégulier appliqué. Les conditions de mesure ont été opérées à 23 °C, 47 % de température et d'humidité.

Tension de sortie lorsque (a) pressé avec le talon, (b) frappé avec le doigt, et (c) lorsqu'il est frappé avec la paume de l'appareil et (d) l'appareil fabriqué.

Dans cette étude, des films de nanofibres composites à base de P (VDF-TrFE) / BiScO3 – PbTiO3 dopés au N-rGO ont été préparés par électrofilage. Le N-rGO conducteur a été dopé en tant que matériau d'électrode flottante pour le polymère P (VDF-TrFE) et le composite polymère-céramique BiScO3 – PbTiO3. De plus, par la puissance de sortie générée, la valeur maximale de la densité de puissance pourrait être calculée en utilisant l'adaptation d'impédance. Ce récupérateur d'énergie à base de nanofibres composites a montré une puissance de sortie améliorée grâce aux effets d'électrodes flottantes. Une électrode interdigitée, qui est une structure d'électrode efficace pour une utilisation dans des applications de dispositifs portables, a été conçue et testée. La puissance de sortie générée a été maximisée en optimisant le processus de fabrication et la conception des électrodes interdigitées. La tension en circuit ouvert obtenue, la tension stockée et la puissance de sortie générée étaient respectivement de 12,4 V, 3,78 V et 6,3 μW. En conséquence, des électrodes flottantes dans la nanofibre composite ont amélioré la puissance de sortie et la permittivité diélectrique effective.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Cette étude soutenue par la subvention de développement des ressources humaines (n° 20214000000280) de l'Institut coréen d'évaluation et de planification des technologies énergétiques (KETEP) financée par le ministère coréen du commerce, de l'industrie et de l'énergie et a été soutenue par le MSIT (ministère des sciences et des TIC), Corée, dans le cadre du programme de soutien ITRC (Centre de recherche sur les technologies de l'information) (IITP-2022-2020-0-01655) supervisé par l'IITP (Institute of Information and Communications Technology Planning et évaluation).

École de génie électrique et électronique, Université Chung-Ang, 84 Heukseok-Ro, Dong-Jak Gu, Séoul, 06974, République de Corée

Jae-Hoon Ji & Jung-Hyuk Koh

Département de l'énergie intelligente et de l'industrie, Université Chung-Ang, Heukseok-ro, Séoul, 06974, République de Corée

Gwangseop Lee et Jung-Hyuk Koh

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JH.J. et JH.K. écrit le texte principal du manuscrit. JH.J. figues préparées. 1, 3–5 et JH.J. et GL a préparé les Fig. 2–9 et Tableaux 1, 2. Tous les auteurs ont revu le manuscrit.

Correspondance avec Jung-Hyuk Koh.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Ji, JH., Lee, G. & Koh, JH. Synthèse d'un film de nanofibres composites polymères céramiques à base d'oxyde de graphène réduit dopé à l'azote pour des applications de dispositifs portables. Sci Rep 12, 15583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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Reçu : 28 juin 2022

Accepté : 25 août 2022

Publié: 16 septembre 2022

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

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