Leveraging ZnO morphologies in piezoelectric composites for mechanical energy harvesting

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作者
Valentina Cauda,Stefano Stassi,Andrea Lamberti,Marco Morello,Candido Fabrizio Pirri,Giancarlo Canavese
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier BV]
卷期号:18: 212-221 被引量:44
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2015.10.021
摘要

In this work flexible composite nanogenerators were prepared aiming to identify and optimize the exploitation of the piezoelectric effect in mechanical energy harvesting. A novel shape-controlled synthesis of ZnO microstructures through hydrothermal route was achieved resulting in different morphologies and aspect-ratio particles, microwires, multipods, and desert-roses. The three different microparticles and round-shaped commercial nanoparticles were incorporated into a polydimethylsiloxane matrix and a comparative study on the piezoelectric output power dependence on the filler morphology was carried out. The highest performances, i.e. output voltage of 10 V and a maximum power of 55 µW, were obtained with the highest aspect-ratio ZnO filler, the microwires, dispersed in the PDMS matrix at a 40 wt% concentration. Considering the generated voltage dependence on the size and aspect-ratio of the fillers, a working mechanism was formulated. The nanogenerators were then exploited to charge a homemade carbon-based supercapacitor. The voltage charging curves confirm the voltage generation trend based on the high aspect-ratio particles, showing that the best performances are obtained by the microwires-based composite nanogenerator. This work thus contributes to clarify the piezoelectric mechanism in composite nanogenerators and to maximize the output power generation in view of self-powered nanodevices able to recover and store waste environmental energy.

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