Yeni fiber tabanlı elektronik cihaz güç üretiyor ve zararlı gazları tespit ediyor

Araştırma ekipleri, hem elektrik üretebilen hem de hidrojen sülfür (H₂S) gazını tespit edebilen çok işlevli, fiber şekilli bir elektronik cihaz geliştirdi. Başarı, tek bir fiberin, tehlikeli gazları tespit ederken kendi elektriğini üreten, kendi kendine çalışan bir güvenlik sensörü olarak işlev görebileceğini gösteriyor. Teknolojinin, endüstriyel güvenlik için akıllı giysilerin ve giyilebilir cihazların pratik uygulamasını hızlandırması bekleniyor. Çalışma şu dergide yayınlandı: Kimya Mühendisliği Dergisi.

Ekipler, Pusan ​​Ulusal Üniversitesi’nden Profesör Hyung Woo Lee ve Kore Havacılık ve Uzay Üniversitesi’nden Profesör Myunghun Shin liderliğindeki ekiplerle işbirliği içinde, Kore Malzeme Bilimi Enstitüsü’nün (KIMS) Enerji ve Çevre Malzemeleri Araştırma Bölümü’nden Myungkwan Song ve Kompozitler ve Yakınsama Malzemeleri Araştırma Bölümü’nden Hee-jung Lee tarafından yönetildi.

Giyilebilir elektronik ve Nesnelerin İnterneti (IoT) teknolojilerinin hızla gelişmesiyle birlikte, dış güç kaynaklarına bağımlı olmadan çevreyi izlerken kendi gücünü üretebilen yeni nesil fiber şekilli elektronik cihazların geliştirilmesi önemli bir araştırma alanı olarak ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, geleneksel fiber şekilli güneş pilleri, güç dönüşüm verimliliği ve dayanıklılık açısından sınırlamalarla karşı karşıya kalmıştır. Çoğu, enerji üretimi gibi tek bir işlevle sınırlı olduğundan, giyilebilir ortamlardaki pratik kullanımları da kısıtlanıyor.

MOF fiber nasıl çalışır?

Bu sınırlamaların üstesinden gelmek için araştırma ekibi, metal-organik çerçevelere (MOF’ler) dayalı, çok işlevli, fiber şekilli bir elektronik cihaz geliştirdi ve geleneksel fiber şekilli güneş pilinin güç üretim fonksiyonuna tehlikeli gaz algılama yeteneği ekledi. Teknolojinin özü, bir boyanın elektrik üretmek için ışığı emdiği, fiber şekilli, boyaya duyarlı bir güneş pilinin, hidrojen sülfit gibi tehlikeli gazları etkili bir şekilde yakalayabilen MOF malzemeleriyle birleştirilmesinde yatmaktadır.

MOF’lar, üç boyutlu ağlara bağlanan metal iyonları ve organik bağlayıcılardan oluşan gözenekli malzemelerdir. Geniş iç yüzey alanları ve iyi tanımlanmış gözenekleri, güneş pillerinde daha fazla boya molekülünü adsorbe etmelerini sağlar ve böylece güç dönüşüm verimliliğini artırır. Tehlikeli gazlara maruz kaldıklarında yüzeyleri ve gözenekleri de gaz moleküllerini hızla yakalayabilir.

Araştırmacılar, temsili bir MOF olan UiO-66’ya elektron çeken floro gruplarını (-F) ve elektron veren amino gruplarını (-NH₂) ayrı ayrı ekleyerek fonksiyonel MOF malzemelerini sentezlediler. Ortaya çıkan UiO-66-F ve UiO-66-NH₂ malzemeleri, yük taşınmasını kolaylaştırmak için fiber şekilli boyaya duyarlı bir güneş pilinin titanyum dioksit (TiO₂) fotoelektroduna dahil edildi. Aynı zamanda, MOF yüzeyleri ve gözenekleri, hidrojen sülfit ile etkili bir şekilde etkileşime girecek şekilde tasarlandı ve tek bir fiber cihazda enerji üretimi ve tehlikeli gaz algılamaya olanak sağladı.

Işık, bükme ve yıkama altında performans

Geliştirilen fiber şekilli cihaz, yalnızca elektrik üretmekle ve tehlikeli gazları tespit etmekle kalmadı, aynı zamanda pratik aşınmayla ilgili koşullar altında istikrarlı bir performans sergiledi. Geleneksel TiO₂ fotoelektrota göre yaklaşık %29’luk bir iyileşmeyi temsil eden %7,16’lık bir güç dönüşüm verimliliği elde etti. Cihaz, hem güçlü güneş ışığı hem de iç mekan aydınlatması altında elektrik üreterek günlük ortamlarda kendi kendine güç sağlayan bir enerji kaynağı olma potansiyelini ortaya koydu.

Ayrıca hidrojen sülfit gazına yaklaşık dokuz saniye içinde yanıt vererek hızlı algılama performansı sergiledi. Cihaz, 1.500’den fazla bükme işleminden sonra başlangıç ​​performansının yaklaşık %80’ini korudu ve 20 yıkama işleminden sonra performansının %80’den fazlasını korudu. Bu sonuçlar, elektronik fiberlerin sıradan kumaşlar gibi tekrar tekrar büküldüğü ve yıkandığı ortamlarda kullanım için gereken mekanik esnekliği ve yıkama dayanıklılığını göstermektedir.

Giyilebilir tekstillerde güvenlik kullanımları

Bu başarı, tek bir elyafın hem güç kaynağı hem de sensör olarak hizmet etmesini sağlayarak giyilebilir elektronik tekstillerin potansiyel uygulamalarını genişletiyor. Giysilere veya diğer giyilebilir formlara dahil edildiğinde cihaz, elektrik üretmek için ortam ışığını toplarken aynı zamanda tehlikeli gazlara maruz kalmayı da tespit edebiliyor.

Potansiyel uygulamalar arasında endüstriyel sahalarda işçi güvenliği yönetimi, çevresel izleme, akıllı giysiler ve kendi kendine çalışan IoT sensörleri yer alıyor. Teknoloji, harici güç kaynaklarına ve ayrı algılama bileşenlerine olan bağımlılığı azaltarak, yeni nesil güvenlik ve çevre izleme sistemleri için hafif ve esnek bir platform sağlayabilir.

KIMS’in baş araştırmacısı ve proje lideri Song, “Bu çalışma, Lee’nin araştırma ekibi tarafından geliştirilen fonksiyonel MOF malzemelerini fiber şekilli bir güneş pili ve gaz sensörü platformuna entegre ederek tek bir fiber cihazda enerji üretimi ve gaz algılamayı mümkün kıldı” dedi. “Algılama işlevselliğini fiber şekilli bir elektronik cihaza dahil ederken enerji üretim performansını geliştirerek, yeni nesil giyilebilir elektronik tekstiller için yeni olanaklar gösterdik.”

“Daha geniş bir MOF malzemesi yelpazesi kullanarak tehlikeli gaz algılama özelliklerini sistematik olarak analiz etmeyi ve kendi kendine çalışan sensör cihazlarının uygulanabilirliğini daha da genişletmek için ilgili bir veri tabanı oluşturmayı planlıyoruz” diye ekledi.