印度理工學(xué)院甘地納加爾校區(qū)（IIT Gandhinagar）的Rupak Banerjee教授帶領(lǐng)Tufan Paul組成的研究團隊，于2023年7月13日在ACS Appl. Mater. Interfaces上發(fā)表了一項最新研究成果。
該研究的主要目標是開發(fā)一種無鉛的有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料，用于生物力學(xué)能量收集和壓力感應(yīng)應(yīng)用。傳統(tǒng)的有機-無機鹵化物鈣鈦礦材料，如CH3NH3PbI3，具有優(yōu)異的光電性能，但也存在長期穩(wěn)定性差和鉛污染的問題。因此，該團隊探索了Cs2SnX6（X = Cl、Br和I）化合物作為一種環(huán)境友好和可持續(xù)的替代方案。這些化合物不含鉛，并具有良好的環(huán)境穩(wěn)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(jié)合，制備自供電的壓電納米發(fā)電器（PENGs）。
該研究使用了Enlitech的QE-R量子效率測量系統(tǒng)，進行了紫外可見反射光譜響應(yīng)測量，QE-R量子效率系統(tǒng)可提供各種太陽能電池精準的EQE檢測數(shù)據(jù)。搭配光焱（Enlitech）配套開發(fā)的自動化檢查軟件，使其IPCE、IQE和光譜響應(yīng)數(shù)據(jù)的檢測準確快速，QE-R量子效率光學(xué)儀的檢測量子效率結(jié)果被高影響因子期刊廣泛采用和引用。
Rupak Banerjee教授團隊使用溶劑熱法合成了Cs2SnX6納米結(jié)構(gòu)，并與PVDF混合制成復(fù)合薄膜。他們發(fā)現(xiàn)，Cs2SnX6的加入可以增強PVDF中的電活性相，從而提高復(fù)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(dǎo)致壓電反應(yīng)增強的機制。他們系統(tǒng)地改變了無機Cs2SnX6鈣鈦礦中的鹵素離子，并研究了相應(yīng)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(zhì)、壓電反應(yīng)幅度、壓電輸出信號和充電容量。
在眾多制備的薄膜中，Cs2SnI6_PVDF薄膜表現(xiàn)出最高的壓電系數(shù)（d33）值，約為200 pm V–1，并且從壓電力顯微鏡和極化滯回曲線測量中得到了約0.74 μC cm–2的剩余極化。Cs2SnI6_PVDF基設(shè)備在受到周期性垂直壓縮時產(chǎn)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。該設(shè)備的輸出電壓用于對一個10 μF的電容器充電，充到2.2 V后，可以驅(qū)動一些商業(yè)LED。除了用作壓力傳感器，該設(shè)備還用于監(jiān)測人體生理活動。該設(shè)備在環(huán)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應(yīng)應(yīng)用方面的潛力。
這項研究為開發(fā)無鉛鹵化物鈣鈦礦材料提供了一種新的思路，并為利用生物力學(xué)能量驅(qū)動可穿戴設(shè)備和自供電系統(tǒng)提供了一種有效的方法。該研究團隊表示，他們將繼續(xù)優(yōu)化這些材料和設(shè)備的性能，并探索更多的應(yīng)用場景。
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