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Publicação
Nanotechnology for Energy Harvesting: From Fundamental Triboelectrification to Self-Powered Smart Applications via Triboelectric and Piezoelectric Nanogenerators
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
| 26.89 MB | Adobe PDF |
Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
The urgent global demand for sustainable, decentralized, and reliable energy solutions
has fuelled research into nanotechnology-based energy harvesting. This thesis advances both
the fundamental understanding of triboelectrification and the development of multifunctional
nanogenerators - triboelectric (TENGs) and piezoelectric (PENGs) - with the objective of enabling next-generation self-powered smart applications. To establish the foundation, a comprehensive analysis of the triboelectric effect - particularly under dirt-prone environments - was
conducted alongside the role of functional materials for environmental energy harvesting and
smart sensing. Charge-transport mechanisms, device architectures, and stimuli-responsive
systems were examined, highlighting durability, contamination, and variability challenges,
and providing the conceptual framework for smart TENGs applications developed in this thesis. Systematic investigations of liquid-solid triboelectrification revealed how flow dynamics,
device structure, and ionic content govern electrical output. To translate TENGs into self-powered pressure sensors, a hierarchical surface-engineering strategy enhanced output and introduced self-cleaning capability for durable e-skin. Dual-scale micro/nanostructuring with
chemical modification produced hydrophobic surfaces, achieving superior energy harvesting
(~270 mW·m-2), high-pressure sensitivity, and 94% contaminant removal. Toward sustainable
electronics, laser-induced graphene (LIG) electrodes were developed for food-quality monitoring and integrated with self-powered barcodes via TENGs. Anthocyanin incorporation catalyzed graphene synthesis (ID/IG = 0.87) and conferred NH3 responsiveness, enabling tri-modal
detection-colorimetric, electrochemical, and RFID-with a 110 ppm detection limit and 1.2
Ω·m3·mg-1 sensitivity, thereby allowing real-time, wireless, and reagent-free freshness monitoring. In the biomedical domain, PENGs and mechanically triggered electric fields developed
stimuli-responsive gyroid scaffolds with NaNbO3 nanostructures for bone regeneration. Combining hierarchical porosity with ultrasound stimulation, these scaffolds enhanced cell proliferation, alignment, and mineralization, achieving >1200 % calcium deposition and establishing
bioelectric scaffolds as transformative for regenerative therapies. Collectively, this thesis
demonstrates how multifunctional nanogenerators, grounded in fundamental mechanisms,
can be engineered as a sustainable and versatile nexus for self-powered sensors in healthcare,
agriculture, smart packaging, and pressure-sensing applications.
A crescente demanda global por soluções energéticas sustentáveis, descentralizadas e confiáveis tem impulsionado pesquisas em colheita de energia baseada em nanotecnologia. Esta tese aprofunda a compreensão da triboeletrificação e o desenvolvimento de nanogeradores multifuncionais, triboelétricos (TENGs) e piezoelétricos (PENGs), voltados a aplicações inteligentes e autônomas. Foi realizada uma análise abrangente do efeito triboelétrico, especialmente em ambientes sujeitos à contaminação, juntamente com o papel de materiais funcionais na colheita de energia ambiental e em sistemas de detecção inteligente. Mecanismos de transporte de carga, arquiteturas de dispositivos e sistemas responsivos a estímulos foram investigados, destacando desafios e estabelecendo o arcabouço conceitual das aplicações desenvolvidas. Estudos da triboeletrificação líquido-sólido revelaram como a dinâmica do fluxo, a estrutura e o conteúdo iônico governam a geração elétrica. Para converter TENGs em sensores de pressão autônomos, uma estratégia hierárquica de engenharia de superfície aumentou o desempenho e introduziu autolimpeza em e-skins duráveis. A micro/nanoestruturação e modificação química produziram superfícies hidrofóbicas, alcançando alta colheita de energia (~270 mW·m-2), sensibilidade e de remoção de contaminantes (94 %). Eletrodos de grafeno induzido a laser (LIG) foram desenvolvidos para monitoramento da qualidade de alimentos e integrados a códigos de barras autoalimentados. A incorporação de antocianinas catalisou a síntese do grafeno (ID/IG: 0,87) e conferiu responsividade a NH3, permitindo detecção trimodal, colorimétrica, eletroquímica e RFID, com limite de 110 ppm e sensibilidade de 1,2 Ω·m3·mg-1, possibilitando monitoramento sem fio e em tempo real. No campo biomédico, PENGs e campos elétricos induzidos mecanicamente geraram scaffolds giroides com nanostruturas de NaNbO3 para regeneração óssea. A combinação de porosidade hierárquica e estimulação ultrassônica aprimorou proliferação, alinhamento e mineralização celular, atingindo aumento >1200 % na deposição de cálcio. Assim, esta tese demonstra como nanogeradores multifuncionais, fundamentados em princípios básicos, podem formar um elo sustentável-versátil para sensores autoalimentados em saúde, agricultura, embalagens inteligentes e interfaces robóticas.
A crescente demanda global por soluções energéticas sustentáveis, descentralizadas e confiáveis tem impulsionado pesquisas em colheita de energia baseada em nanotecnologia. Esta tese aprofunda a compreensão da triboeletrificação e o desenvolvimento de nanogeradores multifuncionais, triboelétricos (TENGs) e piezoelétricos (PENGs), voltados a aplicações inteligentes e autônomas. Foi realizada uma análise abrangente do efeito triboelétrico, especialmente em ambientes sujeitos à contaminação, juntamente com o papel de materiais funcionais na colheita de energia ambiental e em sistemas de detecção inteligente. Mecanismos de transporte de carga, arquiteturas de dispositivos e sistemas responsivos a estímulos foram investigados, destacando desafios e estabelecendo o arcabouço conceitual das aplicações desenvolvidas. Estudos da triboeletrificação líquido-sólido revelaram como a dinâmica do fluxo, a estrutura e o conteúdo iônico governam a geração elétrica. Para converter TENGs em sensores de pressão autônomos, uma estratégia hierárquica de engenharia de superfície aumentou o desempenho e introduziu autolimpeza em e-skins duráveis. A micro/nanoestruturação e modificação química produziram superfícies hidrofóbicas, alcançando alta colheita de energia (~270 mW·m-2), sensibilidade e de remoção de contaminantes (94 %). Eletrodos de grafeno induzido a laser (LIG) foram desenvolvidos para monitoramento da qualidade de alimentos e integrados a códigos de barras autoalimentados. A incorporação de antocianinas catalisou a síntese do grafeno (ID/IG: 0,87) e conferiu responsividade a NH3, permitindo detecção trimodal, colorimétrica, eletroquímica e RFID, com limite de 110 ppm e sensibilidade de 1,2 Ω·m3·mg-1, possibilitando monitoramento sem fio e em tempo real. No campo biomédico, PENGs e campos elétricos induzidos mecanicamente geraram scaffolds giroides com nanostruturas de NaNbO3 para regeneração óssea. A combinação de porosidade hierárquica e estimulação ultrassônica aprimorou proliferação, alinhamento e mineralização celular, atingindo aumento >1200 % na deposição de cálcio. Assim, esta tese demonstra como nanogeradores multifuncionais, fundamentados em princípios básicos, podem formar um elo sustentável-versátil para sensores autoalimentados em saúde, agricultura, embalagens inteligentes e interfaces robóticas.
Descrição
Palavras-chave
Nanotechnology Triboelectric nanogenerators Piezoelectric nanogenerators Energy harvesting Polymers Self-powered sensors