Fabrication and characterization of flexible composite layers for mechanical energy harvesting applications

Abstract

Este estudio aborda la creciente demanda de materiales eficientes para recolectar energía mecánica en sensores autoalimentados para electrónica portátil. La investigación se centra en la fabricación y caracterización de capas compuestas flexibles diseñadas para nanogeneradores triboeléctricos (TENGs). Estas capas incorporan cristales de zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) dentro de una matriz de fluoruro de polivinilideno (PVDF), con el objetivo de mejorar el rendimiento triboeléctrico y permitir su integración en dispositivos autónomos. El estudio combina métodos experimentales y computacionales para evaluar las propiedades estructurales, microscópicas, mecánicas y triboeléctricas de las capas compuestas. Utilizando un método solvotérmico, se investigaron varios procedimientos de síntesis de ZIF-8 para optimizar el rendimiento, la cristalinidad y la morfología. Las capas fabricadas fueron caracterizadas mediante difracción de rayos X (XRD), microscopía electrónica de barrido (SEM) y ensayos de tracción para evaluar sus propiedades estructurales y mecánicas. Simulaciones complementarias por elementos finitos modelaron el comportamiento triboeléctrico y mecánico de las capas, proporcionando información sobre su rendimiento en aplicaciones de recolección de energía. Entre los enfoques probados, el método que empleó metanol como solvente con proporciones específicas y condiciones de cristalización controladas produjo el ZIF-8 más cristalino, con una morfología de dodecaedro rómbico, óptima para su integración en las capas compuestas. Las capas PVDF@ZIF-8 demostraron propiedades mecánicas mejoradas, incluido un aumento en el módulo de Young con mayor contenido de ZIF-8, y un rendimiento triboeléctrico consistente en las simulaciones por elementos finitos. Los hallazgos destacan la importancia de equilibrar las propiedades mecánicas y triboeléctricas para adaptar estos materiales a aplicaciones específicas. Concentraciones más altas de ZIF-8 mejoran la salida triboeléctrica y la resistencia mecánica, pero limitan la flexibilidad. Lograr un rendimiento óptimo requiere maximizar la generación de energía mientras se mantiene la resistencia a la deformación justo por encima del umbral de fallo del material. Este trabajo proporciona una base crítica para integrar estos materiales en nanogeneradores híbridos, que combinan mecanismos triboeléctricos y piezoeléctricos, y avanzar en el desarrollo de soluciones energéticas sostenibles.

This study addresses the growing demand for efficient materials to harvest mechanical energy in selfpowered sensors for portable electronics. The research focuses on the fabrication and characterization of flexible composite layers designed for triboelectric nanogenerators (TENGs). These layers incorporate zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) crystals within a polyvinylidene fluoride (PVDF) matrix, aiming to enhance triboelectric performance and enable their integration into autonomous devices. The study encompasses a combination of experimental and computational methods to evaluate the structural, microscopic, mechanical, and triboelectric properties of the composite layers. Using a solvothermal method, various ZIF-8 synthesis procedures were investigated to optimize yield, crystallinity, and morphology. The fabricated layers were characterized through X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and tensile testing to assess their structural and mechanical properties. Complementary finite element simulations modeled the triboelectric and mechanical behavior of the layers, providing insights into their performance in energy harvesting applications. Among the tested approaches, the method employing methanol as a solvent with specific ratios and controlled crystallization conditions yielded the most crystalline ZIF-8 with rhombic dodecahedron morphology, optimal for integration into the composite layers. The PVDF@ZIF-8 layers demonstrated enhanced mechanical properties, including increased Young’s modulus with higher ZIF-8 content, and consistent triboelectric performance in finite element simulations. The findings underscore the importance of balancing mechanical and triboelectric properties to tailor these materials for specific applications. Higher ZIF-8 concentrations improve triboelectric output and mechanical strength but limit flexibility. Achieving optimal performance requires maximizing power output while maintaining the deformation resistance just above the material’s failure threshold. This work provides a critical foundation for integrating these materials into hybrid nanogenerators, combining triboelectric and piezoelectric mechanisms, and advancing the development of sustainable energy solutions.