Advanced Functional Materials:稳如泰山 —— 基于原位生长法合成的全无机CsPbBr3钙钛矿复合PVDF纤维构建的高稳定性压电纳米发电机

伴随着世界经济的高速发展,人类社会对于能源供给需求越来越大,煤炭、石油、天然气、核能等非再生的传统能源由于对环境带来严重污染已经不能适应时代的发展需求,因此探究清洁的、可再生的新能源是当前迫切需要解决的问题。环境中的机械能由于分布广泛、表现形式多样和容易转换等优点,是最理想的替代能源之一。压电纳米发电机是一种利用压电效应实现机械能-电能的转换器件,可以将环境中各类形式的机械能转换成电能,具有结构简单、体积小和受外界环境影响小的优点,可以为可植入式医疗设备、传感系统、可穿戴电子器件和便携式设备等微电子器件的运行供电,从而突破传统电池供电所带来的尺寸大、使用寿命短、安全性差等问题限制。

最近,新兴的卤化物钙钛矿(APbX3,A为有机基团或无机离子,X为Cl,Br或I)由于具有优秀的光电性能而被广泛的应用在光电器件中如太阳能电池和光电探测器。其具有典型的钙钛矿结构,结构上类似于锆钛酸铅(PZT)等压电陶瓷,应该也具备优秀的压电性能,然而目前对其压电性能的研究还非常的有限。同时卤化铅钙钛矿固有的离子特性使卤化钙钛矿对热,水和酸碱非常敏感,较差的稳定性极大地限制了其实际应用。

北京科技大学钢铁共性技术协同创新中心侯新梅课题组和中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士课题组应用基于静电纺丝技术的原位合成法,合成了CsPbBr3纳米晶均匀填充于PVDF纤维中的复合纤维。通过高稳定性的PVDF将稳定性较差的CsPbBr3纳米晶完全的包裹起来,使其与环境完全隔离,从而达到提高稳定性的目的;同时利用CsPbBr3纳米晶较强的压电性能,提高了复合纤维的压电性能。基于该复合纤维构建的平面型的压电纳米发电机开路电压(Voc)达103 V,短路电流(Isc)的密度达170 μA·cm-2,其中Isc是目前文献报道的卤化物钙钛矿基压电纳米发电机最高值的4.86倍。同时该复合纤维基压电纳米发电机可在220 ºC加热1小时后,其输出能力保持其原始值的79.16%,在水中浸泡6个月后,其输出能力保持近100%;在硫酸溶液中浸泡25 h后,其输出能力保持63.53%,浸泡在氢氧化钠溶液中25小时后,超过82.35%。该复合纤维基压电纳米发电机在恶劣的环境(热,湿气,酸和碱)下极好的稳定性大大提高了卤化物钙钛矿基器件的实际应用能力。

论文信息:

Piezoelectric Nanogenerator Based on In Situ Growth All-Inorganic CsPbBr3 Perovskite Nanocrystals in PVDF Fibers with Long-Term Stability

Huiying Chen, Linlin Zhou, Zhi Fang, Shuize Wang, Tao Yang*, Laipan Zhu*, Xinmei Hou*, Hailong Wang, Zhong Lin Wang

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202011073