Energy Harvesting Using High-Strength and Flexible 3D-Printed Cellulose/Hexagonal Boron Nitride Nanosheet Composites

材料科学 复合材料 羧甲基纤维素 六方氮化硼 纳米片 热稳定性 流变学 制作 纤维素 纳米技术 化学工程 医学 石墨烯 替代医学 病理 工程类 冶金
作者
Anjali Jayakumar,Rushikesh S. Ambekar,Preeti Lata Mahapatra,A.K. Singh,Tarun Kumar Kundu,P R Sreeram,Rahul R. Nair,Chandra Sekhar Tiwary
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:6 (15): 14278-14288 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acsanm.3c02233
摘要

As a natural polymer, cellulose is abundant, low-cost, robust, and biodegradable and can be chemically modified. This work explores the enhancement of mechanical, thermal, and flexoelectric properties of three-dimensional (3D)-printed carboxymethyl cellulose (CMC) due to the addition of mechanically exfoliated hexagonal boron nitride (hBN). hBN was observed to act as a rheology modifier, and CMC reinforced with 2% hBN exhibited the maximum apparent viscosity of 12.24 Pa·s at a shear rate of 100 s–1. The 0.5% hBN/CMC film exhibited the highest mechanical and thermal stability. A flexoelectric energy harvester was fabricated out of 3D-printed hBN/CMC composites to test the effectiveness of strain-induced charge production. By varying the load resistance and applied pressure, we were able to measure the voltage and current flowing through the device. We found that a load resistance of 180 kΩ connected across a 2% hBN/CMC device resulted in the highest power delivery of 5.5 nW. When mechanical strain is applied, a charge state fluctuation and spontaneous polarization in the hBN/CMC matrix are seen. This phenomenon can be explained based on the flexoelectric energy-harvesting mechanism, supported by density functional theory (DFT) calculations.
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