鉛フリーのペロブスカイトが圧電エネルギーハーベスティングの新時代を約束

研究者チームは、ストレスがかかると発電するカルコゲナイドペロブスカイト化合物で満たされたポリマーフィルムを作成しました。

研究者らは、ストレスがかかると発電するカルコゲナイドペロブスカイト化合物で満たされたポリマーフィルムを作成した。この現象は圧電効果として知られています。これは、単に機械的ストレスが加えられたときに特定の材料が電荷を生成する能力です。

圧電効果は、結晶構造の対称性を欠く材料で発生します。結晶、セラミック、ポリマー、骨、DNA、さまざまなタンパク質などの生体物質は、さまざまな種類の圧電材料です。

このような材料は、機械的振動に関連するエネルギーを収集する可能性があります。この形式のエネルギーの最も優れた点は、それが私たちの周囲に豊富に存在し、自然界で再生可能であることです。

しかし、最新の研究によると、最高のパフォーマンスを発揮する圧電材料には、癌を引き起こし、脳腫瘍のリスクを高め、DNA 修復を妨げる可能性がある化学元素である鉛 (Pb) が含まれる傾向があります。

鉛を含む材料は危険であり、規制当局は環境保護のためにその使用を削減しています。

鉛は重くて展性があり、融点が比較的低い天然の金属であるため、その毒性を考慮して、材料やデバイスからの使用はますます段階的に廃止されています。

したがって、チームの目標は、鉛を含まず、自然界に一般的に存在する元素を使用して安価に製造できる材料を作成することでした。

そこで、レンセラー工科大学 (RPI) のチームは、鉛を含まないだけでなく、数少ない高性能材料の 1 つである材料を利用しました。したがって、生物医学用途、機械、インフラストラクチャでの使用に最適な候補です。

チームが使用した鉛フリー材料は、圧電性を示すカルコゲナイド ペロブスカイト族に属します。 BaZrS3 は研究で使用された組成であり、顕著な圧電応答があると報告されています。

カルコゲニド ペロブスカイトは、最近大きな注目と進歩を遂げています。この化合物群はペロブスカイト構造に関連しており、低毒性、高い安定性、直接バンドギャップ、優れたキャリア輸送能力、強い光吸収など、多くの好ましい特性を備えています。

これらの特性により、ペロブスカイトは太陽光発電、光検出器、発光デバイス、光触媒などの用途で非常に優れています。

興味深いことに、ほとんどの高性能圧電材料は非中心対称であるため、本質的に高い分極率を示します。しかし、研究で使用されたものを含む多くの酸化物ペロブスカイトは中心対称の結晶構造を示し、元の状態では弱い圧電性を示します。これらの化合物は本質的に正味双極子モーメントを欠いているため、実際には無極性です。

双極子モーメントは、応力下における圧電材料の動作の学名であり、材料内の正イオンと負イオンを分離させるような変形です。この双極子モーメントを利用して電流に変えることができます。

しかし、正味双極子モーメントがないにもかかわらず、チームはどうやって圧電性を実現したのでしょうか?彼らは、カルコゲニド ペロブスカイト構造内の緩いパッキングを利用して問題を克服しています。

グリーン エネルギー アプリケーション向けのテクノロジーの拡張

最新の研究では、鉛フリーのカルコゲナイドペロブスカイト材料は中心対称であるにもかかわらず、変形すると非常に急速に分極しやすくなることが詳述されています。これは、単位セルが緩く詰め込まれており、多くの空きスペースがあるためです。

この大量の空の空間により、イオンの変位が拡張され、その結果、対称性が減少し、変位を介した双極子モーメントが増幅されます。

チームは、BaZrS3 に対して圧電応答力顕微鏡 (PFM) を実行して、材料の圧電性を確認しました。

PFM は機能的原子間力顕微鏡 (AFM) モデルであり、ナノメートルスケールでのさまざまな材料の電気機械特性に関する独自の情報を提供することで知られています。

研究チームによれば、カルコゲナイドペロブスカイト材料の構造対称性は応力下で簡単に破れ、圧電応答の向上につながるという。そこで、確認後、チームはポリカプロラクトン中に分散された BaZrS3 粒子の複合材料を開発しました。

合成された新しい材料にはバリウム、ジルコニウム、硫黄が含まれており、これらは人体の動きからエネルギーを収集し、電気化学および電子機器に電力を供給するために使用されました。

研究チームは、走る、歩く、指をたたく、拍手するなどの体の動きを材料に加えて、その材料の発電能力をテストしました。実験中に生成された電力は LED バンクに電力を供給するのに十分であることが判明し、RPI を詳しく説明しました。

「私たちは、グリーン エネルギーへの移行をサポートする私たちの発見とその可能性に興奮し、励まされています。」

– Nikhil Koratkar、研究共著者

彼によると、この材料は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。コラートカール氏によると:

「加えられる圧力荷重が大きいほど、また圧力がかかる表面積が大きいほど、効果は大きくなります。」

チームが作成したエネルギーハーベスティングフィルムの厚さはわずか 0.3 ミリメートルで、さまざまな機械、デバイス、建物や高速道路などの構造物に組み込むことができます。

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