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《ACS Appl. Mater. Interfaces》印度IIT Prof:Rupak Banerjee 鹵化物可調性提升了無鉛Cs2SnX6-PVDF複合材料在生物力學能量收集方面的表現

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印度理工學院甘地納加爾校區(IIT Gandhinagar)的Rupak Banerjee教授帶領Tufan Paul組成的研究團隊,於2023年7月13日在ACS Appl. Mater. Interfaces發表了一項最新研究成果。

該研究的主要目標是開發一種無鉛的有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料,用於生物力學能量收集和壓力感測應用。傳統的有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料,如CH3NH3PbI3,具有優異的光電性能,但也存在長期穩定性差和鉛污染的問題。因此,該團隊探索了Cs2SnX6 (X = Cl, Br, and I)化合物作為一種環境友好和可持續的替代方案。這些化合物不含鉛,且具有良好的環境穩定性和光電性能。此外,它們還可以與壓電聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)結合,製備出自供電的納米發電器(piezoelectric nanogenerators, PENGs)。

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該研究使用了Enlitech的QE-R 量子效率測量系統,進行了紫外可見反射光譜光譜響應測量,QE-R 量子效率系統可提供各種太陽能電池精準的 EQE 檢測數據。搭配光焱(Enlitech)配套開發的自動化檢查軟體,使其 IPCE、IQE 和光譜響應數據的檢測準確快速, QE-R 量子效率光學儀的檢測量子效率結果被高影響因子期刊廣泛採用和引用。

Rupak Banerjee教授團隊使用溶劑熱法合成了Cs2SnX6納米結構,並與PVDF混合製成複合薄膜。他們發現,Cs2SnX6的加入可以增強PVDF中的電活性相,從而提高複合薄膜的壓電性能。他們還使用第一原理密度泛函理論(DFT)計算來分析Cs2SnX6和PVDF之間的界面作用,揭示了鈣鈦礦和PVDF之間存在物理吸附作用,導致壓電反應增強的機制。他們系統地改變了無機Cs2SnX6鈣鈦礦中的鹵素離子,並研究了相應的PENGs的壓電行為。此外,他們還測量了這些鹵素鈣鈦礦基混合物的介電性質、壓電反應幅度、壓電輸出信號和充電容量。

在眾多製備的薄膜中,最優化的Cs2SnI6_PVDF薄膜表現出最高的壓電係數(d33)值,約為200 pm V–1,並且從壓電力顯微鏡和極化滯迴曲線測量得到了約0.74 μC cm–2的剩余極化。1最優化的Cs2SnI6_PVDF基設備在受到周期性垂直壓縮時產生了約167 V的瞬時輸出電壓,約5.0 μA的電流,和約835 μW的功率。2該設備的輸出電壓用於對一個10 μF的電容器充電,充到2.2 V後,可以驅動一些商業LED。除了用作壓力傳感器,該設備還用於監測人體生理活動。該設備在環境中展示了出色的操作耐久性,證明了它在機械能量收集和壓力感測應用方面的卓越潛力。

這項研究為開發無鉛鹵化物鈣鈦礦材料提供了一個新的思路,並為利用生物力學能量來驅動可穿戴設備和自供電系統提供了一種有效的方法。該研究團隊表示,他們將繼續優化這些材料和設備的性能,並探索更多的應用場景。

關鍵字:

有機光伏電池、OPV、量子效率

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