Piezoelectric Nanogenerators Based on Poly(vinylidene fluoride) Doped with High Entropy Oxide Nanoparticles for Sensitive Pressure Sensors

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作者
Shewli Pratihar,Akash M. Chandran,Asrar Rafiq Bhat,Prasanna Kumar S. Mural
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:7 (17): 20553-20568 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsanm.4c03569
摘要

Considering the ecological and environmental challenges associated with conventional energy harvesting methods, piezoelectric nanogenerators (PENGs) offer a viable, lightweight, and environmentally friendly alternative for future energy needs. Here, we propose flexible, low-cost, superior piezoelectric performance poly(vinylidene fluoride) (PVDF)-based PENGs composed of high-entropy oxide nanoparticles, specifically (Bi0.2Na0.2Ba0.2K0.2La0.2)TiO3 (BNBKL) as a controlled filler. The structural, thermal, and electrical, such as dielectric, ferroelectric, and piezoelectric, properties of pure PVDF and all the nanocomposites were comprehensively investigated, demonstrating that the 7 wt % BNBKL nanoparticles incorporated PVDF (PBT-7) nanocomposite stands out as highly promising for nanogenerator applications. Furthermore, piezo-response force microscopy confirmed the high piezoelectric coefficient of the PBT-7 nanocomposite, showing a piezoelectric coefficient (d33) value of 33 pm/V. The inclusion of BNBKL nanofiller promotes the electroactive phase nucleation in PVDF (PBT-7), achieving a greater polar phase fraction [F(β) > 87%] compared to bare PVDF [F(β) > 50%]. Additionally, BNBKL-loaded PVDF nanocomposite-based PENGs demonstrated an exceptional power output of 64 μW under an applied periodic force of 10 N, with a maximum voltage of 34 V and a current of 4 μA. The optimized PENG device shows remarkable durability over 10,000 cycles and is effective for charging capacitors, powering light-emitting diodes, and monitoring real-time human movements. Further, the as-prepared film endowed with exceptional piezoelectric responsiveness was utilized as a highly sensitive self-powered pressure sensor, demonstrating its remarkable pressure sensitivity in the medium pressure range of 1.184 V/kPa, rapid response and recovery times of 9 and 38 ms, respectively, without any additional poling treatment. These findings highlight the significant potential of PVDF@BNBKL composites for diverse applications such as harvesting biomechanical energy, detecting motion, and supplying power to microelectronic devices, thus advancing the development of next-generation self-powered pressure sensors.
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