Bleifreier Perowskit verspricht eine neue Ära der piezoelektrischen Energiegewinnung

Ein Forscherteam hat einen mit Chalkogenid-Perowskit-Verbindung gefüllten Polymerfilm geschaffen, der bei Belastung Strom erzeugt.

Researchers have created a polymer film filled with a chalcogenide perovskite compound that generates electricity when stressed. This phenomenon is known as the piezoelectric effect, which is simply the ability of certain materials to generate an electric charge when mechanical stress is applied.

Forscher haben einen Polymerfilm hergestellt, der mit einer Chalkogenid-Perowskit-Verbindung gefüllt ist und bei Belastung Strom erzeugt. Dieses Phänomen ist als piezoelektrischer Effekt bekannt, bei dem es sich einfach um die Fähigkeit bestimmter Materialien handelt, bei mechanischer Belastung eine elektrische Ladung zu erzeugen.

The piezoelectric effect occurs in materials that lack crystal structural symmetry. Crystals, ceramics, polymers, and biological matter such as bone, DNA, and various proteins are different kinds of piezoelectric materials.

Der piezoelektrische Effekt tritt in Materialien auf, denen die Kristallstruktursymmetrie fehlt. Kristalle, Keramik, Polymere und biologische Materie wie Knochen, DNA und verschiedene Proteine ​​sind verschiedene Arten von piezoelektrischen Materialien.

Such materials have the potential to collect the energy related to mechanical vibrations. The best thing about this form of energy is that it is present all around us in abundant supply and is renewable in nature.

Solche Materialien haben das Potenzial, die mit mechanischen Schwingungen verbundene Energie zu sammeln. Das Beste an dieser Energieform ist, dass sie überall um uns herum in reichlicher Menge vorhanden ist und von Natur aus erneuerbar ist.

However, as the latest research notes, piezoelectric materials that are best performing tend to have the chemical element lead (Pb), which can cause cancer, increase the risk of brain tumors, and hinder DNA repair.

Allerdings weisen die neuesten Forschungsergebnisse darauf hin, dass piezoelektrische Materialien mit der besten Leistung tendenziell das chemische Element Blei (Pb) enthalten, das Krebs verursachen, das Risiko von Hirntumoren erhöhen und die DNA-Reparatur behindern kann.

Materials that contain lead are hazardous, and regulators have curtailed their use to protect the environment.

Materialien, die Blei enthalten, sind gefährlich und die Aufsichtsbehörden haben ihre Verwendung zum Schutz der Umwelt eingeschränkt.

Given the toxicity of lead, which is a heavy, malleable, naturally occurring metal with a relatively low melting point, it is being increasingly phased out of materials and devices.

Angesichts der Toxizität von Blei, einem schweren, formbaren, natürlich vorkommenden Metall mit einem relativ niedrigen Schmelzpunkt, wird es zunehmend aus Materialien und Geräten entfernt.

Hence, the team's goal was to create a material that was lead-free and able to be made inexpensively using elements that are commonly found in nature.

Ziel des Teams war es daher, ein Material zu schaffen, das bleifrei ist und kostengünstig aus Elementen hergestellt werden kann, die häufig in der Natur vorkommen.

So, the team from the Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) made use of a material that not only does not contain lead but is also one of the few high-performing ones. Hence, it is a great candidate for use in biomedical applications, machines, and infrastructure.

Deshalb nutzte das Team des Rensselaer Polytechnic Institute (RPI) ein Material, das nicht nur kein Blei enthält, sondern auch eines der wenigen Hochleistungsmaterialien ist. Daher ist es ein großartiger Kandidat für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen, Maschinen und Infrastruktur.

The lead-free material that the team used belongs to the chalcogenide perovskite family exhibiting piezoelectricity. BaZrS3 was the composition used in the study, which is reported to have a pronounced piezoelectric response.

Das bleifreie Material, das das Team verwendete, gehört zur Familie der Chalkogenid-Perowskite und weist Piezoelektrizität auf. BaZrS3 war die in der Studie verwendete Zusammensetzung, die Berichten zufolge eine ausgeprägte piezoelektrische Reaktion aufweist.

Chalcogenide perovskites have been gaining a lot of attention and advances lately. This family of compounds is related to perovskite structures, which have many favorable properties such as low toxicity, high stability, direct band gaps, good carrier transport abilities, and strong light absorption.

Chalkogenid-Perowskite haben in letzter Zeit große Aufmerksamkeit und Fortschritte erregt. Diese Verbindungsfamilie ist mit Perowskit-Strukturen verwandt, die viele günstige Eigenschaften wie geringe Toxizität, hohe Stabilität, direkte Bandlücken, gute Ladungsträgertransportfähigkeiten und starke Lichtabsorption aufweisen.

These properties make perovskites really stand out in applications like photovoltaics, photodetectors, light-emitting devices, and photocatalysts.

Diese Eigenschaften zeichnen Perowskite in Anwendungen wie Photovoltaik, Fotodetektoren, lichtemittierenden Geräten und Fotokatalysatoren aus.

Interestingly, most high-performing piezoelectric materials are non-centrosymmetric and hence display intrinsically high polarizability. However, many oxide perovskites, including the one used in the study, exhibit a centrosymmetric crystal structure, which is weakly piezoelectric in its pristine form. These compounds are actually non-polar because they inherently lack a net dipole moment.

Interessanterweise sind die meisten piezoelektrischen Hochleistungsmaterialien nicht zentrosymmetrisch und weisen daher eine intrinsisch hohe Polarisierbarkeit auf. Allerdings weisen viele Oxidperowskite, einschließlich des in der Studie verwendeten, eine zentrosymmetrische Kristallstruktur auf, die in ihrer ursprünglichen Form schwach piezoelektrisch ist. Diese Verbindungen sind tatsächlich unpolar, da ihnen von Natur aus ein Nettodipolmoment fehlt.

The dipole moment is the scientific name for the way piezoelectric materials perform when under stress, which is deformation in a way that causes positive ions and negative ions in the material to separate. This dipole moment can be harnessed and turned into an electric current.

Das Dipolmoment ist der wissenschaftliche Name für die Art und Weise, wie sich piezoelektrische Materialien unter Spannung verhalten. Dabei handelt es sich um eine Verformung, die zur Trennung positiver und negativer Ionen im Material führt. Dieses Dipolmoment kann genutzt und in elektrischen Strom umgewandelt werden.

But with no net dipole moment, how did the team achieve piezoelectricity? Well, they leverage the loose packing within the chalcogenide perovskite structure to overcome the problem.

Aber wie erreichte das Team die Piezoelektrizität, da es kein Netto-Dipolmoment gab? Nun, sie nutzen die lockere Packung innerhalb der Chalkogenid-Perowskit-Struktur, um das Problem zu lösen.

Scaling the Technology for Green Energy Applications

Skalierung der Technologie für grüne Energieanwendungen

The latest study details that despite being centrosymmetric, lead-free chalcogenide perovskite materials become polarizable very quickly when it is deformed. This is due to a loosely packed unit cell, which has a lot of vacant space.

Die neueste Studie zeigt, dass bleifreie Chalkogenid-Perowskit-Materialien, obwohl sie zentrosymmetrisch sind, bei Verformung sehr schnell polarisierbar werden. Dies ist auf eine locker gepackte Elementarzelle zurückzuführen, die viel freien Platz aufweist.

This significant volume of empty space allows extended displacement of ions, which, in turn, allows for the reduction of symmetry and results in an amplified displacement-mediated dipole moment.

Dieses beträchtliche Leerraumvolumen ermöglicht eine ausgedehnte Verschiebung von Ionen, was wiederum eine Verringerung der Symmetrie ermöglicht und zu einem verstärkten, durch die Verschiebung vermittelten Dipolmoment führt.

The team performed a piezoresponse force microscopy (PFM) on BaZrS3 to confirm the piezoelectricity of the material.

Das Team führte eine Piezoreaktionskraftmikroskopie (PFM) an BaZrS3 durch, um die Piezoelektrizität des Materials zu bestätigen.

PFM is a functional atomic force microscopy (AFM) model that has been recognized for the unique information it offers on the electromechanical properties of various materials on the nanometer scale.

PFM ist ein Modell der funktionellen Rasterkraftmikroskopie (AFM), das für seine einzigartigen Informationen über die elektromechanischen Eigenschaften verschiedener Materialien im Nanometerbereich bekannt ist.

Structural symmetry in the chalcogenide perovskite material, as per the team, can be easily broken under stress, which leads to an enhanced piezoelectric response. So, once confirmed, the team developed composites of BaZrS3 particles dispersed in polycaprolactone.

Nach Angaben des Teams kann die strukturelle Symmetrie im Chalkogenid-Perowskit-Material unter Belastung leicht gebrochen werden, was zu einer verbesserten piezoelektrischen Reaktion führt. Nach der Bestätigung entwickelte das Team Verbundstoffe aus in Polycaprolacton dispergierten BaZrS3-Partikeln.

The new material synthesized contains barium, zirconium, and sulfur, which were then used to harvest energy from human body motion and power electrochemical and electronic devices.

Das synthetisierte neue Material enthält Barium, Zirkonium und Schwefel, die dann zur Energiegewinnung aus der Bewegung des menschlichen Körpers und zur Stromversorgung elektrochemischer und elektronischer Geräte verwendet wurden.

The team tested the material's ability to generate electricity by subjecting it to bodily movements like running, walking, tapping fingers, and clapping. The electricity produced during the experiment was found to be enough to power LED banks, spelling out RPI.

Das Team testete die Fähigkeit des Materials, Strom zu erzeugen, indem es es Körperbewegungen wie Laufen, Gehen, Fingertippen und Klatschen aussetzte. Es wurde festgestellt, dass der während des Experiments erzeugte Strom ausreichte, um LED-Banken mit Strom zu versorgen, was RPI bedeutet.

“We are excited and encouraged by our findings and their potential to support the transition to green energy.”

„Wir sind begeistert und ermutigt von unseren Erkenntnissen und ihrem Potenzial, den Übergang zu grüner Energie zu unterstützen.“

– Nikhil Koratkar, Study co-author

– Nikhil Koratkar, Co-Autor der Studie

The material, according to him, converts mechanical energy into electrical energy. According to Koratkar:

Das Material wandelt seiner Meinung nach mechanische Energie in elektrische Energie um. Laut Koratkar:

“The greater the applied pressure load and the greater the surface area over which the pressure is applied, the greater the effect.”

„Je größer die ausgeübte Druckbelastung und je größer die Fläche, auf die der Druck ausgeübt wird, desto größer ist die Wirkung.“

The energy harvesting film created by the team is just 0.3 millimeters thick and can be integrated into various machines, devices, and structures like buildings and highways to

Die vom Team erstellte Energiegewinnungsfolie ist nur 0,3 Millimeter dick und kann in verschiedene Maschinen, Geräte und Strukturen wie Gebäude und Autobahnen integriert werden