卤化物可调性提升了无铅Cs2SnX6-PVDF复合材料在生物力学能量收集方面的表现

更新时间:2023-07-21      点击次数:352

印度理工学院甘地纳加尔校区(IIT Gandhinagar)的Rupak Banerjee教授带领Tufan Paul组成的研究团队,于2023年7月13日在ACS Appl. Mater. Interfaces上发表了一项最新研究成果。

该研究的主要目标是开发一种无铅的有机-无机卤化物钙钛矿材料,用于生物力学能量收集和压力感应应用。传统的有机-无机卤化物钙钛矿材料,如CH3NH3PbI3,具有优异的光电性能,但也存在长期稳定性差和铅污染的问题。因此,该团队探索了Cs2SnX6(X = Cl、Br和I)化合物作为一种环境友好和可持续的替代方案。这些化合物不含铅,并具有良好的环境稳定性和光电性能。此外,它们还可以与压电聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)结合,制备自供电的压电纳米发电器(PENGs)。

该研究使用了Enlitech的QE-R量子效率测量系统,进行了紫外可见反射光谱响应测量,QE-R量子效率系统可提供各种太阳能电池精准的EQE检测数据。搭配光焱(Enlitech)配套开发的自动化检查软件,使其IPCE、IQE和光谱响应数据的检测准确快速,QE-R量子效率光学仪的检测量子效率结果被高影响因子期刊广泛采用和引用。

Rupak Banerjee教授团队使用溶剂热法合成了Cs2SnX6纳米结构,并与PVDF混合制成复合薄膜。他们发现,Cs2SnX6的加入可以增强PVDF中的电活性相,从而提高复合薄膜的压电性能。他们还使用第一原理密度泛函理论(DFT)计算来分析Cs2SnX6和PVDF之间的界面作用,揭示了钙钛矿和PVDF之间存在物理吸附作用,导致压电反应增强的机制。他们系统地改变了无机Cs2SnX6钙钛矿中的卤素离子,并研究了相应的PENGs的压电行为。此外,他们还测量了这些卤素钙钛矿基混合物的介电性质、压电反应幅度、压电输出信号和充电容量。

在众多制备的薄膜中,优化的Cs2SnI6_PVDF薄膜表现出最高的压电系数(d33)值,约为200 pm V–1,并且从压电力显微镜和极化滞回曲线测量中得到了约0.74 μC cm–2的剩余极化。优化的Cs2SnI6_PVDF基设备在受到周期性垂直压缩时产生了约167 V的瞬时输出电压,约5.0 μA的电流和约835 μW的功率。该设备的输出电压用于对一个10 μF的电容器充电,充到2.2 V后,可以驱动一些商业LED。除了用作压力传感器,该设备还用于监测人体生理活动。该设备在环境中展示了出色的操作耐久性,证明了它在机械能量收集和压力感应应用方面的潜力。

这项研究为开发无铅卤化物钙钛矿材料提供了一种新的思路,并为利用生物力学能量驱动可穿戴设备和自供电系统提供了一种有效的方法。该研究团队表示,他们将继续优化这些材料和设备的性能,并探索更多的应用场景。


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