硫族化物钙钛矿薄膜在挤压或受力时能产生电能

Josiah02 · 发表于 2024-10-17 23:54:03

想象一下，汽车在行驶时轮胎可以充电，路灯可以利用交通的隆隆声来供电，摩天大楼可以在自然摇晃和颤抖时发电。
这些能源创新之所以成为可能，要归功于伦斯勒理工学院的研究人员，他们正在开发一种在压缩或受到振动时能产生电能的环保材料。
在最近发表在《自然通讯》杂志上的一项研究中，研究小组开发了一种聚合物薄膜，其中注入了一种特殊的硫属化物钙钛矿化合物，这种化合物在受到挤压或压力时会产生电能，这种现象被称为压电效应。
虽然目前还存在其他压电材料，但这是少数不含铅的高性能材料之一，使其成为机器、基础设施以及生物医学应用的绝佳选择。
“我们对我们的研究结果及其支持向绿色能源转型的潜力感到非常兴奋和鼓舞，”该研究的通讯作者，机械、航空航天和核工程系的 John A. Clark 和 Edward T. Crossan 教授 Nikhil Koratkar 博士说。
“铅有毒，在材料和设备中越来越受到限制和淘汰。我们的目标是创造一种无铅材料，并且可以使用自然界中常见的元素以低成本制造。”
Koratkar 解释说，这种能量收集薄膜厚度仅为 0.3 毫米，可以集成到各种各样的设备、机器和结构中。
“从本质上讲，这种材料将机械能转化为电能——施加的压力负荷越大，施加压力的表面积越大，效果就越好，”Koratkar 说。“例如，它可以用在高速公路下面，当汽车经过时，它就能发电。它还可以用作建筑材料，当建筑物振动时，它就能发电。”
压电效应发生在缺乏结构对称性的材料中。在压力下，压电材料会变形，导致材料中的正离子和负离子分离。这种科学上称为“偶极矩”，可被利用并转化为电流。
RPI团队发现的硫族化物钙钛矿材料中，结构对称性在应力作用下很容易被破坏，从而导致明显的压电响应。
在合成出含有钡、锆和硫的新材料后，研究人员通过让其进行各种身体运动（如行走、跑步、拍手和敲击手指）来测试其产生电能的能力。
研究人员发现，在这些实验中，这种材料产生了电能，甚至足以为写出 RPI 的 LED 灯组供电。
“这些测试表明这项技术可能很有用，例如，跑步者或骑车者佩戴的设备可以照亮他们的鞋子或头盔，使他们更显眼。然而，这只是一个概念验证，因为我们希望最终看到这种材料大规模应用，真正对能源生产产生影响，”Koratkar 说。
展望未来，Koratkar 的实验室将探索整个硫族钙钛矿化合物家族，寻找那些表现出更强压电效应的化合物。Koratkar 表示，人工智能和机器学习可以成为这一探索中的有用工具。
“可持续能源生产对我们的未来至关重要，”RPI 工程学院院长 Shekhar Garde 博士说道。“Koratkar 教授的工作很好地证明了创新材料发现方法如何帮助解决全球问题。”

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