Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect

Current wearable electronics technology and its connection to the Internet of Things (IoT) is increasingly based on processes which transform low-level mechanical energy or friction, which is ubiquitously present in any moving part of mechanical systems, including the biomechanical energy, into elec...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Καμηνιώτης, Μάριος
Άλλοι συγγραφείς: Kaminiotis, Marios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2023
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:https://hdl.handle.net/10889/25158
id nemertes-10889-25158
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Electrospinning
Polymers
Triboelectric nanogenerators
Ηλεκτροστατική ινοποίηση
Πολυμερή
Τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες
spellingShingle Electrospinning
Polymers
Triboelectric nanogenerators
Ηλεκτροστατική ινοποίηση
Πολυμερή
Τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες
Καμηνιώτης, Μάριος
Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
description Current wearable electronics technology and its connection to the Internet of Things (IoT) is increasingly based on processes which transform low-level mechanical energy or friction, which is ubiquitously present in any moving part of mechanical systems, including the biomechanical energy, into electricity. Given the particular energy harvesting mechanism involved, materials optimization and proper device assembly are required for obtained applications high potential. In contrast to high energy harvesting technologies, i.e. wind and solar, ultra-low power devices typically used as wearables, deal with much smaller energy scales. Such miniature devices can offer significant mass and size reduction, increased flexibility, providing energy autonomous systems which can lead to a batteryless transition. Devices that exploit the coupled effect of contact electrification and electrostatic induction, called triboelectric nanogenerators (TENGs), can convert mechanical energy into electricity. TENGs can be employed to harvest ambient mechanical energy (human motion, rain drops, wind etc.) to achieve self-powered sensing or power-packs for low-power devices. In this thesis we explore certain polymeric materials, either pristine or composites, that can be used as effective energy harvesting layers. Polymers are frequently selected as tribomaterials for TENGs as they are flexible and lightweight. As tribo-electrification is a surface phenomenon, increasing contact area, i.e. due to roughness or micro/nano-structuring, results in enhanced charge generation and hence better performance. Electrospinning is a suitable technique which can be used to prepare polymeric films of sub-micron fibrous structures, with enhanced roughness in comparison to bulky continuous polymer films prepared by other methods. Electrospinning also offers versatility in incorporating nanoparticles within the spun fibers. Therefore, a home -made electrospinning setup was built for the purpose of the current thesis. Using this set-up, a thorough optimization of electrospun PVDF fibrous films took place. Various parameters were optimized to obtain the best set resulting in homogeneous, bead-free fibers. In addition, composite fibers of PVDF with various loadings of ZnO and TiO2 nanoparticles were prepared and characterized. A special construction allowing the easy operation of the contact-separation triboelectric mode took place. Using this construction, a large number of TENG devices was fabricated and evaluated in regard to its electrical response in open and short-circuit conditions. The results show that certain loading levels of the ZnO or TiO2 nanoparticles can appreciably enhance the peak output power of the devices.
author2 Kaminiotis, Marios
author_facet Kaminiotis, Marios
Καμηνιώτης, Μάριος
author Καμηνιώτης, Μάριος
author_sort Καμηνιώτης, Μάριος
title Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
title_short Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
title_full Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
title_fullStr Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
title_full_unstemmed Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
title_sort electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect
publishDate 2023
url https://hdl.handle.net/10889/25158
work_keys_str_mv AT kamēniōtēsmarios electrospunpolymersnanoparticlecompositesforenergyharvestingapplicationsexploitingthetriboelectriceffect
AT kamēniōtēsmarios polymerēsynthetaylikananosōmatidiōnmesōēlektrostatikēsinopoiēsēsgiaepharmogessyllogēsenergeiaspouekmetalleuontaitotriboēlektrikophainomeno
_version_ 1771297242160824320
spelling nemertes-10889-251582023-06-24T03:56:00Z Electrospun polymers/nanoparticle composites for energy harvesting applications exploiting the triboelectric effect Πολυμερή/ σύνθετα υλικά νανοσωματίδιων μέσω ηλεκτροστατικής ινοποίησης για εφαρμογές συλλογής ενέργειας που εκμεταλλεύονται το τριβοηλεκτρικό φαινόμενο Καμηνιώτης, Μάριος Kaminiotis, Marios Electrospinning Polymers Triboelectric nanogenerators Ηλεκτροστατική ινοποίηση Πολυμερή Τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες Current wearable electronics technology and its connection to the Internet of Things (IoT) is increasingly based on processes which transform low-level mechanical energy or friction, which is ubiquitously present in any moving part of mechanical systems, including the biomechanical energy, into electricity. Given the particular energy harvesting mechanism involved, materials optimization and proper device assembly are required for obtained applications high potential. In contrast to high energy harvesting technologies, i.e. wind and solar, ultra-low power devices typically used as wearables, deal with much smaller energy scales. Such miniature devices can offer significant mass and size reduction, increased flexibility, providing energy autonomous systems which can lead to a batteryless transition. Devices that exploit the coupled effect of contact electrification and electrostatic induction, called triboelectric nanogenerators (TENGs), can convert mechanical energy into electricity. TENGs can be employed to harvest ambient mechanical energy (human motion, rain drops, wind etc.) to achieve self-powered sensing or power-packs for low-power devices. In this thesis we explore certain polymeric materials, either pristine or composites, that can be used as effective energy harvesting layers. Polymers are frequently selected as tribomaterials for TENGs as they are flexible and lightweight. As tribo-electrification is a surface phenomenon, increasing contact area, i.e. due to roughness or micro/nano-structuring, results in enhanced charge generation and hence better performance. Electrospinning is a suitable technique which can be used to prepare polymeric films of sub-micron fibrous structures, with enhanced roughness in comparison to bulky continuous polymer films prepared by other methods. Electrospinning also offers versatility in incorporating nanoparticles within the spun fibers. Therefore, a home -made electrospinning setup was built for the purpose of the current thesis. Using this set-up, a thorough optimization of electrospun PVDF fibrous films took place. Various parameters were optimized to obtain the best set resulting in homogeneous, bead-free fibers. In addition, composite fibers of PVDF with various loadings of ZnO and TiO2 nanoparticles were prepared and characterized. A special construction allowing the easy operation of the contact-separation triboelectric mode took place. Using this construction, a large number of TENG devices was fabricated and evaluated in regard to its electrical response in open and short-circuit conditions. The results show that certain loading levels of the ZnO or TiO2 nanoparticles can appreciably enhance the peak output power of the devices. Η τρέχουσα τεχνολογία στα φορητά ηλεκτρονικά και η σύνδεση τους με το δίκτυο των πραγμάτων (Internet of Things – IoT) βασίζεται όλο και περισσότερο σε διαδικασίες που μετασχηματίζουν την χαμηλή ισχύος μηχανική ενέργεια ή τριβή, η οποία είναι πάντα παρούσα σε οποιοδήποτε κινούμενο κομμάτι των μηχανικών συστημάτων, συμπεριλαμβανομένης της εμβιομηχανικής ενέργειας, σε ηλεκτρική ενέργεια. Δεδομένου του συγκεκριμένου μηχανισμού συλλογής ενέργειας που εμπλέκεται, η βελτιστοποίηση των υλικών και η κατάλληλη συναρμολόγηση της συσκευής απαιτούνται για εφαρμογές με υψηλές δυνατότητες. Σε αντίθεση με τις τεχνολογίες συλλογής υψηλής ενέργειας, όπως αιολική και ηλιακή, συσκευές εξαιρετικά χαμηλής ισχύος που συνήθως χρησιμοποιούνται σαν φορητές, αφορούν πολύ μικρότερη ενεργειακή κλίμακα. Τέτοιες μικρές συσκευές προσφέρουν σημαντική μείωση στην μάζα και στο μέγεθός τους, αυξάνοντας την ευελιξία, παρέχοντας ενεργειακά αυτόνομα συστήματα, τα οποία μπορεί να οδηγήσουν στην μετάβαση σε συστήματα χωρίς την χρήση μπαταρίας. Συσκευές που εκμεταλλεύονται το συνδυασμένο αποτέλεσμα του ηλεκτρισμού μέσω επαφής και της ηλεκτρικής επαγωγής ονομάζονται τριβοηλεκτρικές νανογεννήτριες (triboelectric nanogenerators – TENGs) και μπορούν να μετατρέψουν την μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική. Τα TENGs μπορούν να χρησιμοποιηθούν για συλλογή μηχανικής ενέργειας από το περιβάλλον (ανθρώπινη κίνηση, σταγόνες βροχής, άνεμος κλπ.) για την επίτευξη αυτόνομων αισθητήρων ή πακέτων ενέργειας για συσκευές χαμηλής ισχύος. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, ερευνούμε συγκεκριμένα πολυμερικά υλικά, σύνθετα ή όχι, που μπορούν να μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά σαν στρώματα συλλογής ενέργειας. Τα πολυμερή, συχνά, επιλέγονται σαν τριβοϋλικά στα TENGs, καθώς είναι ευέλικτα και ελαφριά. Ο τριβοηλεκτρισμός είναι ένα επιφανειακό φαινόμενο, αυξάνοντας την επιφάνεια επαφής, μέσω τραχύτητας της επιφάνειας ή δημιουργώντας μίκρο/νάνο δομές, έχει ως αποτέλεσμα την ενισχυμένη δημιουργία φορτίου και ως εκ τούτου καλύτερη απόδοση. Η ηλεκτροστατική ινοποίηση (electrospinning) είναι μια συμβατή τεχνική που χρησιμοποιείται στην προετοιμασία ινώδων υπομικροσκοπικών πολυμερικών μεμβρανών, με ενισχυμένη τραχύτητα σε σχέση με ογκώδεις συνεχείς πολυμερικές μεμβράνες που παράγονται με άλλες τεχνικές. Ακόμα, το Electrospinning προσφέρει ευελιξία, καθώς μπορούν να ενσωματωθούν νανοσωματίδια ανάμεσα στις ίνες. Επομένως, δημιουργήθηκε μια αυτοσχέδια διάταξη electrospinning για τους σκοπούς της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Χρησιμοποιώντας την διάταξη αυτή, μια ενδελεχής βελτιστοποίηση για την παραγωγή ινών PVDF πραγματοποιήθηκε. Διάφορες παράμετροι βελτιστοποιήθηκαν για την δημιουργία ομογενών, χωρίς ατέλειες, ινών. Επιπρόσθετα, παρασκευάστηκαν και χαρακτηρίστηκαν σύνθετες ίνες PVDF με διαφορετικά ποσοστά ZnO και TiO2. Δημιουργήθηκε μια ειδική κατασκευή που επιτρέπει την εύκολη λειτουργία του τριβοηλεκτρικού μοντέλου επαφής-διαχωρισμού. Χρησιμοποιώντας την συγκεκριμένη συσκευή, ένας μεγάλος αριθμός από συσκευές TENG που κατασκευάστηκαν, αξιολογήθηκαν όσον αφορά την ηλεκτρική απόκριση τους σε λειτουργία ανοικτού και κλειστού κυκλώματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν πως συγκεκριμένα ποσοστά ZnO ή TiO2 νανοσωματιδίων μπορούν αισθητά να ενισχύσουν την μέγιστη ισχύς εξόδου της συσκευής. 2023-06-23T06:22:21Z 2023-06-23T06:22:21Z 2023-06-22 https://hdl.handle.net/10889/25158 en CC0 1.0 Universal http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/ application/pdf