Three dimensional BaTiO₃ – Graphite network with hierarchical porosity for electrical applications

Abstract

Nowadays self-powered devices are of the extreme importance for the implementation of the internet of things. Nanogenerators have been widely studied in many types and forms as mechanical energy harvesters. Piezoelectric nanogenerators (PENG) are seen as opportunity as they can benefit from converting at nanoscale any mechanical energy into electrical energy. Therefore, some challenges as the brittle nature of the most efficient piezoelectric materials and the low voltage output need to be addressed. The main PENG research focus on dispersed piezoelectric particles on polymers or 1D nanopatterned structures to achieve flexibility. These lines of research based on having a non-continuous piezoelectric phase or in having it immersed in an isolating phase, limits the output. This study develops a PENG by growing a piezoelectric layer of tetragonal barium titanate within a three-dimensional (3D) hierarchical porous graphite foam. The perovskite phase has been prepared by sol-gel methodology and the heat treatment conditions were defined considering the need of achieve the BaTiO3 tetragonal crystallographic phase while preserving the graphite conductive phase. A heat treatment at 260 °C under oxygen atmosphere using a Rapid Thermal Annealing (RTA) system allowed to crystallize BaTiO₃ in the tetragonal phase with a density of 0.819 g/cm3 and a porosity of 86%. The PENG prototype was designed by embedding the composite structure into polydimethylsiloxane matrix using copper wires and silver paste for connection. The best PENG displayed a maximum voltage output of 0.883 V and a maximum current output of 3.04 x 10⁻⁹ A.

Atualmente aparelhos capazes de gerar a própria energia são de extrema importância para a implementação da internet das coisas. Nanogeradores são amplamente estudados em muitos tipos e formas como colhedores de energia mecânica. Nanogeradores piezoelétricos (PENG) são vistos como oportunidade devido a sua capacidade de converter, na nanoescala, qualquer energia mecânica em energia elétrica. Assim, alguns desafios como a natureza de fratura frágil dos materiais piezoelétricos mais eficientes e a baixa resposta de diferença de potencial tem de ser resolvidas. Os principais focos de pesquisa em PENG são partículas piezoelétricas dispersas em polímeros ou estruturas 1D nanotexturizadas para conseguir flexibilidade. Essas linhas de pesquisa baseadas em fases piezoelétricas não continuas ou em as ter imersas em fase isolante limitam as respostas elétricas. Esse estudo desenvolve um PENG crescendo uma camada piezoelétrica de titanato de bário tetragonal dentro de uma espuma de grafite com porosidade hierárquica tridimensional (3D). A fase perovskita é preparada pela metodologia sol-gel e as condições do tratamento térmico foram definidas considerando a necessidade de obter a fase cristalográfica tetragonal de BaTiO₃ enquanto preserva a fase condutora da grafite. Um tratamento térmico a 260 °C em atmosfera de oxigénio usando um sistema de Rapid Thermal Annealing (RTA) permitiu a cristalização de BaTiO3 na fase tetragonal com uma densidade de 0.819 g/cm3 e uma porosidade de 86%. O protótipo de PENG foi desenhado com uma infiltração da estrutura do compósito em uma matriz de dimetil polissiloxano usando fios de cobre e tinta de prata como contato elétrico. O melhor PENG demonstra uma resposta máxima de diferença de potencial de 0.883 V e uma resposta máxima de corrente de 3.04 x 10⁻⁹ A.