Compósitos piezo/triboeléctricos de nanofibras de celulosa oxidada con tempo con nanopartículas para recolección de energía biomecánica

Abstract

La recolección de energía biomecánica se presenta como una alternativa sustentable a las baterías electroquímicas. Los mecanismos piezoeléctricos y triboeléctricos se caracterizan por ser simples, versátiles y pequeños por lo que son ideales para la miniaturización de los dispositivos. Flexibilidad, biocompatibilidad y comodidad son características que se buscan en los materiales y la celulosa aparece como un candidato ideal para la elaboración de nanogeneradores(NGs) dada sus propiedades piezo y triboeléctricas. Mediante la adición de partículas piezoeléctricas como ZnO y 𝑀𝑜𝑆2 y partículas conductoras como el TrGO a una matriz de nanofibra de celulosa TEMPO TOCN, junto con la aplicación de tratamientos térmicos se busca mejorar los coeficientes piezoeléctricos 𝑑33 y constantes dieléctricas de los compósitos con la finalidad de que los NGs generen mayores voltajes de salida. Como objetivos se tiene analizar el efecto de usar distintas concentraciones de cada aditivo, tratamientos térmicos, morfologías y frecuencias en las propiedades de los compósitos y los NGs. También se busca separar los efectos piezoeléctricos de los triboeléctricos. Se sintetiza TOCN mediante el procedimiento seguido por Isogai y partículas de ZnO mediante un método solvotermal, se exfolian partículas de 𝑀𝑜𝑆2 en medio ácido con asistencia de quitosano y se adquieren partículas de TrGO. Se caracterizan las partículas y compósitos mediante SEM, FTIR, XRD y TGA, respectivamente. Posteriormente se preparan films mediante un método de solvent casting y aerogeles por medio de liofilización. Se fabrican NGs y son recubiertos con PDMS. Estímulos de toques de dedo y generados a partir de un dispositivo de fuerza externa son aplicados a los NGs, obteniendo voltajes y corrientes de salida. Se obtienen mayores valores de 𝑑33 al adicionar partículas piezoeléctricas en bajas concentraciones, con 2% de ZnO el film compósito alcanza 0.83 pC/N y con 2% de 𝑀𝑜𝑆2 1 pC/N, superando los 0.4 pC/N del film de TOCN puro. En general tratamientos térmicos implican una disminución del coeficiente. Incorporación de partículas de ZnO hasta 30% en los films y de 40% en los aerogeles permiten obtener mayores constantes dieléctricas que el film de TOCN puro(ε=3.7), con valores de ε=11.0 y ε=12.0, respectivamente. En caso de 𝑀𝑜𝑆2 no hay efectos significativos en los valores de las constantes dieléctricas con su adición. Concentraciones de 1% de TrGO en films y 2% de TrGO en aerogeles muestran un aumento en las constantes dieléctricas alcanzando valores de ε=6.1 y ε=15.8, respectivamente. Se determina que los NGs fabricados generan mayores voltajes y potencias a frecuencias bajas. Los NGs destacados consisten en un compósito en formato de aerogel tratado a 100°C que tiene una concentración de 40% en peso de ZnO, que genera un voltaje de 9.7 V y una potencia de 2.2 µW. Un aerogel compuesto tratado a 60°C con 2% en peso de 𝑀𝑜𝑆2 que genera 7.23 V y 1.23 µW y, un film tratado a 60°C con 2% de TrGO genera 11.1 V y 1.23 µW. Se identifica una mayor contribución triboeléctrica en los sistemas elaborados, en donde en general los compósitos con mayores constantes dieléctricas generan los mayores voltajes y potencias.