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Wearable Piezoelectric Nanogenerators Based on Core–Shell Ga-PZT@GaOx Nanorod-Enabled P(VDF-TrFE) Composites

材料科学 压电 纳米棒 复合材料 能量收集 锆钛酸铅 电压 机械能 纳米线 光电子学 纳米技术 铁电性 能量(信号处理) 功率(物理) 电气工程 电介质 统计 数学 工程类 物理 量子力学
作者
Shi Zeng,Mingrui Zhang,Lei Jiang,Zhao Wang,Haoshuang Gu,Juan Xiong,Yi Du,Long Ren
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (6): 7990-8000 被引量:49
标识
DOI:10.1021/acsami.1c22877
摘要

High-output flexible piezoelectric nanogenerators (PENGs) have achieved great progress and are promising applications for harvesting mechanical energy and supplying power to flexible electronics. In this work, unique core-shell structured Ga-PbZrxTi1-xO3 (PZT)@GaOx nanorods were synthesized by a simple mechanical mixing method and then were applied as fillers in a poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) matrix to obtain highly efficient PENGs with excellent energy-harvesting properties. The decoration of gallium nanoparticles on PZT @GaOx nanorods can amplify the local electric field, facilitate the increment of polar β-phase fraction in P(VDF-TrFE), and strengthen the polarizability of PZT and P(VDF-TrFE). The interfacial interactions of GaOx and P(VDF-TrFE) are also in favor of an increased β-phase fraction, which results in a remarkable improvement of PENG performance. The optimized Ga-PZT@GaOx/P(VDF-TrFE) PENG delivers a maximum open-circuit voltage of 98.6 V and a short-circuit current of 0.3 μA with 9.8 μW instantaneous power under a vertical force of 12 N at a frequency of 30 Hz. Such a PENG exhibits a stable output voltage after 6 000 cycles by the durability test. Moreover, the liquid gallium metal offers a mechanical matching interface between rigid PZT and the soft polymer matrix, which benefits the effective, durable mechanical energy-harvesting capability from the physical activities of elbow joint bending and walking. This research renders a deep association between a liquid metal and piezoelectric ceramics in the field of piezoelectric energy conversion, offering a promising approach toward self-powered smart wearable devices.
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