Síntesis de una película de nanofibra compuesta de polímero cerámico a base de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno para aplicaciones de dispositivos portátiles

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15583 (2022) Citar este artículo

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En este estudio, se fabricaron películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas introduciendo óxido de grafeno reducido y dopado con nitrógeno como material conductor en un polímero P(VDF-TrFE) y un compuesto cerámico BiScO3–PbTiO3 empleando un proceso de electrohilado. El nitrógeno se dopó/sustituyó en rGO para eliminar o compensar los defectos formados durante el proceso de reducción. Se empleó un proceso de electrohilado para extraer películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas en condiciones de autopolarización. Se emplearon electrodos interdigitales para hacer recolectores de energía de tipo planificador para recolectar energía electromecánica aplicada al recolector de energía flexible. Del compuesto piezoeléctrico con electrodo interdigital, la permitividad dieléctrica efectiva extraída del método de mapeo conforme. Al introducir cerámica BS-PT y conductores N-rGO en las películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas P(VDF-TrFE), la permitividad dieléctrica efectiva mejoró de 8,2 a 15,5. Esta constante dieléctrica efectiva mejorada probablemente provenga del aumento de la densidad de flujo eléctrico debido al aumento de la conductividad. El electrodo interdigital fabricado con esta delgada película compuesta de nanofibras fue diseñado y probado para aplicaciones de dispositivos portátiles. Se aplicó una fuerza mecánica externa de 350 N al recolector de energía compuesto basado en nanofibras con electrodos interdigitales a una velocidad de 0,6 Hz, el voltaje y la corriente pico fueron de 13 V y 1,25 μA, respectivamente. Al optimizar la fabricación del dispositivo, el voltaje de circuito abierto, el voltaje almacenado y la potencia de salida generada obtenida fueron 12,4 V, 3,78 V y 6,3 μW, respectivamente.

Los materiales compuestos piezoeléctricos basados ​​en polímeros y cerámicas han atraído una notable atención debido a sus propiedades eléctricas y mecánicas superiores, como flexibilidad, piezoelectricidad y robustez1,2,3. En general, los polímeros piezoeléctricos se basan principalmente en materiales PVDF y P(VDF-TrFE)4,5. Sus propiedades eléctricas se pueden mejorar agregando cerámicas piezoeléctricas para hacer estructuras compuestas piezoeléctricas. Aunque se han realizado compuestos piezoeléctricos, existen limitaciones para mejorar sus propiedades piezoeléctricas debido a sus comportamientos resistivos. Para superar estas limitaciones, se pueden agregar materiales conductores a los compuestos piezoeléctricos para mejorar sus propiedades eléctricas. El rGO bidimensional (2D) se emplea ampliamente como material conductor que se puede mezclar fácilmente con otros componentes para mejorar las propiedades eléctricas y mecánicas6,7,8. Por lo tanto, la introducción de rGO en polímeros piezoeléctricos, incluidos PVDF y P (VDF-TrFE), puede mejorar las propiedades piezoeléctricas9,10. Sin embargo, se inducen muchos defectos durante el proceso de reducción de rGO, lo que puede dificultar sus propiedades de transporte de electrones. Estos defectos pueden ser muy perjudiciales para las aplicaciones piezoeléctricas porque interrumpen el campo eléctrico11,12. rGO ha sido ampliamente investigado para aplicaciones de dispositivos funcionales bidimensionales debido a su alta conductividad eléctrica y flexibilidad13,14. Sin embargo, los defectos que se originan en el proceso de reducción disminuyen las propiedades eléctricas de rGO. Para superar las propiedades conductoras disminuidas, el N fue dopado/sustituido en rGO bidimensional. El dopaje/sustitución de N puede superar los defectos en rGO, lo que resulta en una mayor conductividad eléctrica6.

Las películas de nanofibras piezoeléctricas basadas en polímeros e ingredientes cerámicos procesan varias ventajas en comparación con otras estructuras compuestas, como la flexibilidad y la piezoelectricidad13,15. Una película de nanofibras tiene una flexibilidad superior debido a su alta relación de aspecto en comparación con otros materiales compuestos y cerámicos. Se diseñó y adoptó un proceso de electrohilado para fabricar estructuras fiables de nanofibras y nanofibras compuestas. El electrohilado es una técnica que produce nanofibras de polímeros, cerámicas y metales mediante la aplicación de un campo eléctrico. Este proceso puede formar nanofibras a partir de moléculas complejas y puede operar a bajas temperaturas16,17.

El proceso de electrohilado se empleó para fabricar nanofibras compuestas piezoeléctricas dopadas/sustituidas con N-rGO basadas en polímero P(VDF-TrFE) y cerámica BS-PT. El proceso de electrohilado tiene muchas ventajas en comparación con otros procesos de fabricación física, ya que puede ser un proceso de fabricación de bajo costo mediante la extracción de nanofibras compuestas piezoeléctricas en condiciones de autopolarización. Además, las nanofibras compuestas piezoeléctricas y N-rGO altamente conductivas se pueden mezclar bien durante el proceso de preparación antes del proceso de electrohilado. Como resultado, la nanofibra compuesta piezoeléctrica dopada con N-rGO se puede aplicar a varios tipos diferentes de aplicaciones de dispositivos portátiles.

La principal ventaja de este N-rGO sintetizado con nanofibras compuestas es que aumentó la conductividad de N-rGO en comparación con la de rGO. El nitrógeno desempeña el papel de eliminar defectos en el rGO o sustituirlo por carbono en los materiales de rGO. Por lo tanto, esta conductividad aumentada puede mejorar los efectos de los electrodos flotantes en los materiales compuestos piezoeléctricos. Además, los resultados representativos de este manuscrito en comparación con otros documentos se pueden resumir de la siguiente manera. Se fabricaron compuestos de nanofibras compuestas piezoeléctricas dopadas con N-rGO basadas en polímero y BiScO3–PbTiO3 en forma de recolectores de energía piezoeléctrica planos con electrodos interdigitales. Fue la primera vez que se informó sobre los efectos mejorados de los electrodos flotantes basados ​​en los recolectores de energía piezoeléctricos de tipo planificador.

Para las aplicaciones del dispositivo, se diseñaron y emplearon electrodos interdigitales para nanofibra compuesta piezoeléctrica dopada/sustituida con N-rGO basada en polímero P(VDF-TrFE) y cerámica BS-PT. Casi todos los dispositivos portátiles se basan en la estructura de tipo planificador, el electrodo de tipo vertical clásico no se puede aplicar para las aplicaciones del dispositivo. Las fuerzas mecánicas aplicadas se pueden convertir en energías eléctricas a través del electrodo interdigital en las nanofibras piezoeléctricas. La permitividad dieléctrica efectiva se puede simular y calcular empleando el proceso de mapeo conforme. Al extraer los diferentes valores de la permitividad dieléctrica efectiva de las nanofibras compuestas piezoeléctricas, creemos que las nanofibras piezoeléctricas dopadas con N-rGO con electrodo de tipo planificador se pueden aplicar para las diversas aplicaciones de dispositivos portátiles.

En este estudio, se prepararon películas compuestas de nanofibras que comprenden polímeros P(VDF-TrFE) incorporados con N-rGO y cerámicas BiScO3–PbTiO3 mediante electrohilado. Se investigaron recolectores de energía piezoeléctricos flexibles basados ​​en estos compuestos para su uso en aplicaciones electrónicas portátiles.

Como materias primas se emplearon potencias de Bi2O3, Sc2O3, PbO y TiO2. Al considerar el grado de volatilización de los elementos Bi2O3, se agregaron 0,01 mol de Bi en exceso a las composiciones de BS-PT. La mezcla se molió con bola de zirconia estabilizada. Luego, la mezcla fue calcinada y sinterizada en forma de polvo. Se controló que los polvos sinterizados tuvieran menos de 50 µm. Finalmente, los polvos se molieron con bolas mediante molienda planetaria.

El rGO dopado con nitrógeno se preparó mediante un método Hummers modificado18. Se añadieron polvo de grafito y NaNO3 a H2SO4 agitando en el baño. A continuación, se añadió lentamente KMnO4 a la solución. Se añadió agua desionizada a las soluciones y se agitó durante 1 h, seguido de la adición de 10 ml de H2O2. Para eliminar los iones oxidantes y otras impurezas inorgánicas, se añadieron agua destilada y solución acuosa de HCl 1:10 y se centrifugaron, y la mezcla se lavó varias veces. Se añadió hidrato de hidrazina a la solución para fabricar rGO. Para producir rGO dopado con nitrógeno, se añadieron óxido de grafeno y NH3NO3 a una solución de etanol y se agitaron. Para eliminar el etanol, la solución se calentó a 60 °C. La mezcla seca se calcinó y se lavó con agua desionizada y etanol.

La Figura 1a muestra un esquema del proceso de fabricación de un recolector de energía piezoeléctrico flexible basado en una película compuesta de nanofibras. Para preparar la solución compuesta, P(VDF-TrFE) (Solvay Co. Ltd.), acetona (Sigma-Aldrich Co. Ltd., pureza: 99,5 %) y N, N-dimetilformamida (DMF, Sigma-Aldrich Co. , Ltd., pureza: 99,8 %) se mezclaron en una proporción en peso de 2:5:5 y se agitaron durante 24 h. Luego, se agregaron a la mezcla nanopartículas de BiScO3–PbTiO3 (BS-PT) (30 % en peso) y polvos de N-rGO (5 % en peso) y se agitaron. Finalmente, se obtuvieron soluciones compuestas de P(VDF-TrFE) y P(VDF-TrFE)/BS-PT. La solución compuesta se cargó en una jeringa de plástico de 10 ml con una boquilla de metal de 21 G y luego se electrocentrifugó. El proceso de electrohilado se realizó utilizando un campo eléctrico de 1,2 kV/cm, velocidad de alimentación de 1 mL/h, distancia entre la punta de la aguja y el colector de 12 cm y temperatura del sustrato de 55 °C.

Diagramas de procesos de fabricación para (a) película compuesta de nanofibras y (b) recolector de energía piezoeléctrica.

Como se muestra en la Fig. 1a, el proceso de electrohilado se aplicó a un sustrato de poliimida recubierto con un electrodo interdigital para fabricar un dispositivo de recolección de energía basado en películas compuestas de nanofibras. La figura 1b muestra un esquema del proceso de fabricación de un recolector de energía piezoeléctrico con electrodos interdigitales. El electrodo interdigital tenía veinte pares de dedos de Cu con tamaños y espacios de 100 µm. Los electrodos interdigitales son efectivos para medir capacitancias planas; por lo tanto, estos electrodos son útiles en aplicaciones de recolección de energía, donde se desarrolla y retiene una gran cantidad de cargas piezoeléctricas. Después de este proceso, se utilizó polidimetilsiloxano (PDMS) para encapsular el dispositivo para su estabilidad y protección. Las estructuras cristalinas de las muestras se determinaron mediante difracción de rayos X (XRD, Bruker-AXS; New D8-Advance). Se realizó microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM, Carl Zeiss, SIGMA HD) para estudiar microestructuras de películas compuestas de nanofibras. El voltaje y la corriente de salida generados se analizaron usando un osciloscopio (DSO-X2002A, Agilent Technologies) y un femto/picoamperímetro (B2981A, Agilent Technologies). El voltaje almacenado del dispositivo de recolección de energía se midió en el capacitor externo de un rectificador de puente completo.

La Figura 2a muestra una imagen FE-SEM de películas compuestas de nanofibras P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO. La nanofibra compuesta era larga y suave, con un diámetro de aproximadamente 800 nm. Las partículas submicrométricas estaban bien dispersas en la nanofibra, lo que sugiere una alta compatibilidad entre las partículas cerámicas funcionales de tamaño submicrónico y la matriz de P(VDF-TrFE) dopada con N-rGO. En la Fig. 2b, los datos del análisis de composición de EDS se mostraron con diferentes colores. Se detectaron diferentes composiciones elementales. La composición de C, F, N, O, Bi, Sc, Pb y Ti se distribuyó en películas compuestas de nanofibras P (VDF-TrFE) / BS-PT / N-rGO; los porcentajes atómicos y de peso correspondientes se enumeran en la Tabla 1.

(a) imagen FE-SEM de película compuesta de nanofibras P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO, (b) datos EDS para la película compuesta de nanofibras P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO con diferentes compuestos (c) Diagrama esquemático del componente de electrodo flotante de N-rGO en estructura de nanofibras, (d) imágenes TEM claras de imágenes TEM de película P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO.

La figura 2c muestra un esquema de electrodos flotantes de partículas conductoras de N-rGO contenidas en la estructura compuesta de nanofibras. El N-rGO conductor disperso actúa como electrodos flotantes en compuestos, que ayudan a recolectar cargas de materiales piezoeléctricos.

La Figura 2d muestra las imágenes TEM medidas en el modo de contraste de masa-grosor. En el modo de imagen de campo brillante Fig. 2c, las partes de cerámica se pueden ver en las imágenes oscuras mientras que la parte de polímero se puede ver en el color brillante. Por lo tanto, esperamos que las partículas cerámicas BS-PT piezoeléctricas y los electrodos flotantes conductores N-rGO en estructuras compuestas de nanofibras mejoren la potencia de salida de los recolectores de energía.

En la Fig. 3. Las películas de P(VDF-TrFE) muestran picos de la fase β (110/200) a 2θ = 19,8°. Esta estructura polimérica de fase β tiene propiedades ferroeléctricas resultantes de la disposición atómica. Los patrones XRD de películas compuestas de nanofibras P (VDF-TrFE) / BS-PT indicaron la formación de la estructura de polímero de fase β; sin embargo, la cristalinidad fue menor que la de la película compuesta de P(VDF-TrFE)/BS-PT. La cantidad del polímero de la fase β pareció disminuir durante el proceso de fabricación. Sin embargo, quedó una pequeña cantidad del polímero de fase β después del procesamiento. Los picos de BS-PT en las mediciones XRD indicaron que las nanopartículas piezoeléctricas de BS-PT estaban bien dispersas en las películas de nanofibras compuestas de P(VDF-TrFE)/BS-PT. Este resultado sugiere que las nanopartículas cerámicas BS-PT no solo se dispersaron de manera efectiva en las nanofibras de P (VDF-TrFE), sino que tampoco se vieron perturbadas durante el proceso de electrohilado.

Patrones XRD de películas de nanofibras P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE)/BS-PT y P(VDF-TrFE)/BS-PT/N-rGO.

La Figura 4a muestra el espectro de escaneo de la encuesta XPS de N-rGO y la composición química de cada elemento. Los picos de carbono, nitrógeno y oxígeno aparecieron alrededor de 285,2 eV, 399,5 eV y 533,0 eV, y se confirmó que las relaciones atómicas eran 73,9 %, 6,1 % y 20,0 %, respectivamente.

(a) encuesta XPS y (b) exploración de N 1 s de N-rGO sintetizado y (c) resistencia de la hoja según rGO, temperatura de deposición de N-rGO.

La figura 4b muestra el estado de enlace de N 1 s. En N-rGO, el pico de N 1 s se puede separar en N de tipo piridínico (398,5 eV) que representa el nitrógeno ubicado en el anillo de 6 miembros, N de tipo pirrólico (400,1 eV) que representa el nitrógeno ubicado en el nitrógeno en un anillo de cinco miembros y picos N (402,7 eV) de tipo grafítico19. La proporción de unión de N de tipo piridínico, N de tipo pirrólico y N de tipo grafítico fue de aproximadamente 21,2%, 51,3% y 27,5%, respectivamente.

La figura 4c muestra la resistencia de lámina de las películas rGO y N-rGO después del proceso de recocido térmico rápido (RTA). Como resultado de realizar el proceso RTA a 700 °C, la resistencia de la hoja, el valor más bajo de la película rGO, fue de 5,29 kΩ/sq. La película de N-rGO fue de 3,37 kΩ/sq. En todas las temperaturas de procesamiento, la resistencia laminar de la película N-rGO fue menor que la de la película rGO. Por lo tanto, debido a la alta conductividad de N-rGO, se espera que las películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas basadas en N-rGO tengan mejores propiedades eléctricas y piezoelectricidad.

La Figura 5a muestra un esquema de un recolector de energía de nanofibras compuestas basado en sustrato de PI flexible con electrodos interdigitales. Se aplicó una técnica de mapeo conforme para extraer la permitividad dieléctrica efectiva de la capacitancia analizada del electrodo interdigital. El análisis de mapeo conforme permite cambiar la distribución del campo eléctrico de coordenadas rectangulares a circulares. Como resultado, se pudo estimar la permitividad dieléctrica efectiva de la película compuesta de nanofibras y el sustrato de PI, εn y εs, como se muestra en la Fig. 5a. La condición indispensable para usar un mapeo conforme a un sustrato de dos capas es εn > εs. De lo contrario, el campo eléctrico no se puede confinar dentro de la capa compuesta de nanofibras. Como se muestra en la Fig. 5a, W es el ancho de los dedos, G es el espacio entre los dedos, λ es la longitud de onda espacial del capacitor interdigital (IDC), t es el grosor del patrón del electrodo de metal y hn es la altura del película y sustrato de nanofibras. Obtuvimos modelos analíticos del IDC siguiendo el trabajo de Gevorgian20,21. Se determinaron las ecuaciones de Igreja modificadas para las capacitancias de los electrodos interno (CI) y externo (CE), como se muestra en la Fig. 5b, donde se asumió que el espesor del sustrato no era infinito y que la capa de aire debajo del sustrato era infinitamente gruesa. Las ecuaciones del IDC se pueden expresar de la siguiente manera21:

donde K son las integrales elípticas definidas a continuación; kyk′ son argumentos de cada integral elíptica definida a continuación; \({C}_{I,n}\), \({C}_{I,s}\), \({C}_{E,n}\) y \({C}_{ E,s}\) son las capacitancias de los electrodos interior y exterior de la película de nanofibras (n) y el sustrato (s), respectivamente; L es la longitud de los dedos; εn es la permitividad dieléctrica efectiva de la película de nanofibras; y εs es la permitividad dieléctrica efectiva del sustrato. Además, la relación entre los módulos de las integrales elípticas k y k' son las siguientes:

(a) Vista transversal del sustrato de dos capas para IDC, (b) circuito equivalente para IDC y (c) permitividad dieléctrica efectiva de películas de nanofibras compuestas.

Este análisis de mapeo conforme permitió calcular la permitividad dieléctrica efectiva. La constante dieléctrica extraída, como se muestra en la Fig. 5c, fue de aproximadamente 8,2, 12,3, 13,9 y 15,5 para P(VDF-TrFE), P(VDF-TrFE)/BS–PT, P(VDF-TrFE)/BS–PT/ rGO y P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO, respectivamente. La permitividad dieléctrica efectiva más alta de P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO se atribuyó al comportamiento del electrodo flotante, como se describe en la Fig. 2b. El electrodo flotante N-rGO en la nanofibra compuesta hace que los electrodos interdigitales atraigan y recolecten las cargas más fácilmente. Por lo tanto, la permitividad dieléctrica efectiva mejoró debido al aumento de las densidades de flujo eléctrico resultantes del aumento de la carga en los electrodos interdigitales. Además, debido a la alta conductividad de N-rGO, se puede ver que la formación de cargas en la película compuesta se fortalece y las propiedades dieléctricas mejoran en comparación con las de rGO.

La Figura 6a muestra un esquema del sistema de medición para el recolector de energía. El sistema de fuerza mecánica estaba conectado a un recolector de energía con un sistema de circuitos y estaba controlado por una computadora. Se aplicó una fuerza mecánica externa de 350 N a la nanofibra compuesta con electrodos interdigitales a una velocidad de 0,6 Hz. La potencia de salida generada fue registrada por la computadora. Las Figuras 6b,c muestran voltajes y corrientes de salida positivos y negativos repetidos generados durante el empuje y liberación continuos de la fuerza mecánica externa para P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, P(VDF-TrFE)/BS–PT/ N-rGO. Se midieron y registraron el voltaje de circuito abierto generado y la corriente de cortocircuito. El voltaje y la corriente pico del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras fue de 11,2 V y 1,09 μA en P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, 13 V y 1,25 μA en P(VDF-TrFE)/BS– PT/N-rGO. Los valores positivos de voltajes y corrientes se atribuyen a la tensión aplicada, mientras que los valores negativos se atribuyen a la liberación de la tensión; por lo tanto, los valores negativos son siempre de menor magnitud que los valores positivos.

(a) Esquema del sistema de medición y tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito de (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO, (c) P(VDF-TrFE)/BS-PT/N -Cosechador de energía rGO basado en películas compuestas de nanofibras.

La Figura 7a muestra los voltajes y corrientes de salida medidos del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras con diferentes resistencias de carga. Para medir la potencia de salida generada del sistema de recolección de energía, se utilizó una resistencia de carga o un condensador para medir la potencia y la energía de salida máximas. La máxima densidad de potencia se obtuvo optimizando la resistencia de carga. Al variar la resistencia de carga, la corriente de carga de salida se redujo de 1,27 a 0,2 μA y el voltaje de carga de salida se incrementó de 0,15 a 13,2 V.

(a) Voltaje y corriente de salida, (b) potencia, (c) voltaje almacenado y (d) confiabilidad del recolector de energía de película compuesta de nanofibras.

La figura 7b muestra la potencia de salida generada por el recolector de energía. La potencia de salida se calculó a partir del voltaje y la corriente a través de la carga. El voltaje y la corriente de salida se midieron en una resistencia de carga externa, que oscilaba entre 100 kΩ y 500 MΩ, que estaba conectada al recolector de energía de película compuesta de nanofibras. La potencia de salida se puede expresar como:

donde IL y VL son la corriente y el voltaje de salida a través de la resistencia de carga, respectivamente. Como se muestra en la Fig. 7b, la potencia de salida del recolector de energía primero aumentó y luego disminuyó. La potencia de salida máxima fue de 6,3 μW con una resistencia de carga optimizada de 37 MΩ, correspondiente a un voltaje de 9,27 V y una corriente de 0,68 μA. Después de este valor máximo, la potencia de salida generada disminuyó. Además, la densidad de potencia se puede expresar como:

La potencia de salida generada por el recolector de energía piezoeléctrico basado en la película compuesta de nanofibras fue de 0,63 mW/cm3.

La corriente de carga se puede expresar como:

donde Rpiezo y RL son las resistencias de la película compuesta de nanofibras y la carga, respectivamente. Por lo tanto, la ecuación. (5) se puede expresar como:

El valor máximo de PL ocurre en el valor mínimo del denominador y, por lo tanto, la derivada del denominador de PL se puede expresar como:

En consecuencia, el valor máximo de PL se produce cuando Rpiezo = RL. En nuestro estudio, la resistencia de carga optimizada se midió en 37 MΩ y, por lo tanto, de acuerdo con la fórmula anterior, la resistencia del recolector de energía piezoeléctrica, \({R}_{piezo}\), se estima en 37 MΩ .

Las Figuras 7c, d muestran los resultados de confiabilidad y voltaje almacenado del recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras. El voltaje almacenado del recolector de energía aumentó hasta 3,78 V cuando se aplicaron fuerzas mecánicas. Las propiedades de salida de la película compuesta de nanofibras se compararon con otros compuestos piezoeléctricos de polímero/cerámica y se resumen en la Tabla 222,23,24,25,26. Como se muestra en la Tabla 2, en comparación con otras investigaciones, se introdujo N-rGO altamente conductivo en nanofibras compuestas piezoeléctricas para mejorar las propiedades electromecánicas, que se emplearon en el recolector de energía. Por lo tanto, la energía de salida del recolector de energía aumentó por un amplio margen en comparación con otros resultados recientes. El resultado fue comparado y listado en la Tabla 2.

Se aplicaron fuerzas mecánicas externas periódicas para examinar la confiabilidad del rendimiento de salida del sistema de recolección de energía de nanofibras compuestas. Se aplicaron más de 1000 ciclos de fuerzas mecánicas al recolector de energía basado en nanofibras compuestas. La fuerza mecánica aplicada fue de aproximadamente 300 N a una velocidad de 1,5 Hz. El voltaje generado se registró simultáneamente usando un osciloscopio. El recolector de energía piezoeléctrico flexible exhibió un rendimiento de salida estable incluso bajo una presión externa constante. Los resultados indican que el recolector de energía basado en la película compuesta de nanofibras exhibe un excelente rendimiento de salida sin fatiga.

La Figura 8 muestra el rendimiento de salida de dispositivos portátiles bajo diferentes frecuencias de carga en películas compuestas de nanofibras P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO y P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO. A medida que aumentaba la frecuencia de carga, se reducían los voltajes y la corriente de salida. En P(VDF-TrFE)/BS–PT/rGO, los voltajes y la corriente de salida se redujeron de 11,2 V, 1,09 μA a 7,2 V, 0,72 μA, y en P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO película compuesta de nanofibras, disminuyó de 13,3 V y 1,29 μA a 9,3 V y 0,91 μA. P(VDF-TrFE)/BS–PT/N-rGO mostró un mejor rendimiento de salida que P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO en todas las frecuencias de carga. Como resultado, después del alivio del estrés, el estrés se aplicó antes de la recuperación, lo que resultó en un rendimiento de producción reducido.

Tensión de circuito abierto y corriente de cortocircuito a 0,6, 1,2 y 1,8 Hz para (a), (b) P(VDF-TrFE)/BS-PT/rGO y (c), (d) P(VDF-TrFE)/BS -Películas de nanofibras compuestas piezoeléctricas PT/N-rGO.

La figura 9 muestra el voltaje de salida medido y el dispositivo fabricado en condiciones de la vida diaria. El dispositivo fabricado se probó en condiciones de pasos, golpecitos y aplausos. Los voltajes de salida fueron 16,7 V y 3,4 V en las condiciones escalonadas y presionadas del dispositivo. Cuando la mano estaba aplaudiendo, se pudo obtener un voltaje de salida de hasta 7,3 V y se mide un voltaje de salida aleatorio. Este resultado se debe al impacto irregular aplicado. Las condiciones de medición fueron operadas a 23 °C, 47% de temperatura y condiciones de humedad.

Voltaje de salida cuando (a) se presiona con el talón, (b) se golpea con el dedo y (c) cuando se golpea con la palma de la mano el dispositivo y (d) el dispositivo fabricado.

En este estudio, se prepararon películas compuestas de nanofibras basadas en P(VDF-TrFE)/BiScO3–PbTiO3 dopadas con N-rGO mediante electrohilado. El N-rGO conductor se dopó como material de electrodo flotante para el polímero P (VDF-TrFE) y el compuesto de polímero y cerámica BiScO3-PbTiO3. Además, por la potencia de salida generada, el valor máximo de la densidad de potencia podría calcularse utilizando la adaptación de impedancia. Este recolector de energía basado en nanofibras compuestas mostró una potencia de salida mejorada debido a los efectos de los electrodos flotantes. Se diseñó y probó un electrodo interdigital, que es una estructura de electrodo eficaz para su uso en aplicaciones de dispositivos portátiles. La potencia de salida generada se maximizó mediante la optimización del proceso de fabricación y el diseño del electrodo interdigital. El voltaje de circuito abierto obtenido, el voltaje almacenado y la potencia de salida generada fueron 12,4 V, 3,78 V y 6,3 μW, respectivamente. Como resultado, los electrodos flotantes en la nanofibra compuesta mejoraron la potencia de salida y la permitividad dieléctrica efectiva.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado.

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Este estudio apoyado por la subvención de Desarrollo de Recursos Humanos (No.20214000000280) del Instituto Coreano de Evaluación y Planificación de Tecnología Energética (KETEP) financiado por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía del gobierno de Corea y fue apoyado por el MSIT (Ministerio de Ciencia y ICT), Corea, bajo el programa de apoyo ITRC (Centro de Investigación de Tecnologías de la Información) (IITP-2022-2020-0-01655) supervisado por el IITP (Instituto de Planificación y Evaluación de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones).

Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica, Universidad Chung-Ang, 84 Heukseok-Ro, Dong-Jak Gu, Seúl, 06974, República de Corea

Jae-Hoon Ji y Jung-Hyuk Koh

Departamento de Energía e Industria Inteligentes, Universidad Chung-Ang, Heukseok-ro, Seúl, 06974, República de Corea

Gwangseop Lee y Jung-Hyuk Koh

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JH.J. y JH.K. escribió el texto principal del manuscrito. JH.J. Higos preparados. 1, 3–5 y JH.J. y GL prepararon las Figs. 2–9 y tablas 1, 2. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Jung-Hyuk Koh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Ji, JH., Lee, G. y Koh, JH. Síntesis de una película de nanofibras compuestas de polímero cerámico a base de óxido de grafeno reducido dopado con nitrógeno para aplicaciones de dispositivos portátiles. Informe científico 12, 15583 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-19234-0

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Recibido: 28 junio 2022

Aceptado: 25 de agosto de 2022

Publicado: 16 septiembre 2022

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

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