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Electrode-free piezoelectric nanogenerator based on carbon black/polyvinylidene fluoride–hexafluoropropylene composite achieved via interface polarization effect

材料科学 聚偏氟乙烯 压电 纳米发生器 六氟丙烯 电极 极化(电化学) 炭黑 涂层 复合材料 复合数 制作 纳米技术 光电子学 聚合物 四氟乙烯 化学 物理化学 病理 天然橡胶 替代医学 医学 共聚物
作者
Yanan Li,Wangshu Tong,Jie Yang,Zhihao Wang,Danlei Wang,Qi An,Yihe Zhang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:457: 141356-141356 被引量:24
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.141356
摘要

Flexible piezoelectric nanogenerators (PENGs) with high sensitivity, easy deformability, anti-corrosion features, and facile fabrication are highly advantageous for biological tissue sensing/monitoring applications in complex environments. The large-scale and low-cost preparation of flexible piezoelectric polymers requires additional electrode layers for charge collection, compromising the flexibility and corrosion resistance of the PENGs while increasing their fabrication difficulty and cost. In this study, we developed an electrode-free PENG based on a composite film composed of polyvinylidene fluoride–hexafluoropropylene (PVDF-HFP) as the matrix, and carbon black (CB) as the filler. With an appropriate content of approximately 5 wt%, and under the interface polarization effect, the CB particles in the composite film acted as both the inner electrode and the piezoelectric enhancer, thus realizing a sensing functionality without the use of an additional electrode. The effects of the positions of CB particles in the PVDF matrix on the potential distribution, and the functions of CB polarization in the inner electrode and piezoelectric enhancer were simulated using COMSOL Multiphysics software. An excellent piezoelectric performance was achieved, including a current of 0.66 μA, voltage of 17.6 V, and charge of 4.7 nC. Further, electrode-free PENGs, with the multi-self-polarization PVDF-HFP matrix exhibit a promising application as sensors for effectively monitoring human activities and complex environments and can be effectively repaired (up to 80 %) via a facile spray-coating process.

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