A novel approach for adsorption of organic dyes from aqueous solutions using a sodium alginate/titanium dioxide nanowire doped with zirconium cryogel beads

The presence of organic dyes in wastewater raises significant environmental and human health concerns, owing to their high toxicity. In light of this, a novel adsorbent material with porous cryogel architecture was developed and employed for the effective removal of organic dyes from an aqueous solution. Initially, a titanium dioxide nanowire doped with zirconium HZTO was synthesized by the hydrothermal process. Subsequently, the beads (SA/HZTO) of sodium alginate and HZTO were successfully prepared through a cross-linking process, employing Ca2+ ions as the crosslinking agent. Structural analysis of SA/HZTO beads was performed using FTIR, SEM, and EDX techniques. We systematically examined the impact of different conditions, including the initial dye concentration, pH, contact time, and adsorbent dosage, on the adsorption process. Batch experiments, both in signal and binary systems, were conducted to rigorously assess the dye adsorption capabilities. Kinetic modeling revealed that the adsorption process adhered to the pseudo-second-order kinetic model. Remarkably, the prepared beads exhibited impressive adsorption capacities of 26 and 29 mg/g toward methylene blue (MB) and safranin (SF), respectively. SA/HZTO beads have demonstrated excellent adsorption properties, offering a promising avenue for the development of low-cost, efficient, and reusable adsorbent to remove dyes from wastewater

Conception de composite flexible céramique sans plomb/biopolymère pour des applications de stockage et de récupération d'énergie

The existing energy storage and harvesting devices suffer from the moderate performances, low flexibility and the use of toxic compounds. This is how ceramic/polymer nanocomposite approach is highly promising for high-efficiency energy storage and harvesting applications, due to the high dielectric constant of the ceramic and the high breakdown strength, the flexibility and the ease of processing of the polymer. This thesis focuses on designing ceramic (BCZT)/polymer (PLA) nanocomposites for these applications. First, controlled syntheses of BCZT ceramics with different particle sizes, size distributions and shapes were performed and discussed. The effects of grain size and grain shape of BCZT ceramics on the dielectric properties were studied. It was found that the BCZT ceramic with near-spherical particles elaborated by low-temperature hydrothermal processing at 160 °C revealed enhanced dielectric and ferroelectric properties compared to the BCZT ceramics synthesized by other methods. Second, BCZT near-spherical particles BCZT nanorods and HZTO nanowires were embedded in the biodegradable PLA polymer matrix. The effects of the ceramic shape, arrangement, dielectric constant and aspect ratio on the dielectric constant of the nanocomposite were explored using the effective dielectric constant of the nanocomposite models. It was found that for improving the dielectric properties of the composite, it is important to control the ceramic fillers geometry rather the use of high-k ceramics. Afterwards, the energy storage properties of PLA-based nanocomposites were evaluated by D−E hysteresis loops, and high-energy storage performances were obtained in the nanocomposites based on rod-like fillers. The energy harvesting aspect was investigated by designing a bio-flexible piezoelectric nanogenerator (BF-PNG) based on BCZT/PLA nanocomposite film to convert the ambient mechanical energy to electrical energy. This BF-PNG could generate open-circuit voltage and short-circuit current of 14.4 V and 0.55 µA, respectively, and large power density of 7.54 mW/cm3 at a low resistive load of 3.5 MΩ, under gentle finger tapping. The feasibility of the BF-PNG was tested by driving commercial electronics (charging capacitors and lighting an LED). Accordingly, this work demonstrates that BCZT lead-free ceramic in combination with PLA biopolymer can lead to flexible nanocomposite with enhanced energy storage and energy harvesting performances for application in self-powered devices.Les dispositifs de stockage et de récupération d'énergie existants souffrent des performances modérées, de la faible flexibilité et de l'utilisation de composés toxiques. Ainsi, l'approche nanocomposite céramique/polymère est très prometteuse pour les applications de stockage et de récupération d'énergie à haut rendement, en raison de la constante diélectrique élevée de la céramique et de la résistance à la rupture élevée, de la flexibilité et de la facilité de traitement du polymère. Cette thèse est articulée autour de la conception de nanocomposites céramique (BCZT)/polymère (PLA) pour répondre à ces exigences. Tout d'abord, des synthèses contrôlées de céramiques BCZT avec différentes tailles de particules, distributions de tailles et formes ont été réalisées et discutées. Les effets de la taille des particules et de la forme des grains des céramiques BCZT sur les propriétés diélectriques ont été étudiés. Il a été constaté que la céramique BCZT avec des particules presque sphériques élaborée par le procédé hydrothermal à basse température à 160 °C a révélé des propriétés diélectriques et ferroélectriques améliorées par rapport aux autres céramiques BCZT préparées par d’autres méthodes. Ensuite, des particules quasi sphériques BCZT, des nanorods BCZT et des nanofils HZTO ont été incorporés dans la matrice polymère PLA biodégradable. Les effets de la forme, de l’arrangement, de la constante diélectrique et du facteur de forme de la céramique sur la constante diélectrique du nanocomposite ont été étudiés en utilisant la constante diélectrique effective des modèles de nanocomposite. A l’issu de cette étude, il a été constaté que pour améliorer les propriétés diélectriques du composite, il n'est pas nécessaire d'utiliser des charges céramiques à haute permittivité mais plutôt, contrôler leurs géométries au sien du composite. Par la suite, les performances de stockage d'énergie des nanocomposites à base de PLA ont été évaluées par des boucles d'hystérésis D−E. Ainsi, une forte capacité de stockage énergie a été obtenue dans les nanocomposites à base de charges en forme de bâtonnets. L'aspect récupération d'énergie a été étudié en concevant un nanogénérateur piézoélectrique bio-flexible (BF-PNG) à base d’un film nanocomposite BCZT/PLA pour convertir l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ce BF-PNG pourrait générer une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit de 14,4 V et 0,55 µA respectivement, et une grande densité de puissance de 7,54 mW/cm3 à une faible charge résistive de 3,5 MΩ, sous un léger tapotement du doigt. La faisabilité du BF-PNG a été testée en pilotant l'électronique commerciale (charge de condensateurs et allumage d'une LED). En conséquence, ce travail démontre que la céramique écologique sans plomb BCZT en combinaison avec le biopolymère PLA peut conduire à des nanocomposites flexibles avec des performances améliorées de stockage et de récupération d'énergie pour des applications dans des dispositifs auto-alimentés

Design of flexible lead-free ceramic/biopolymer composite for energy storage and energy harvesting applications

Les dispositifs de stockage et de récupération d'énergie existants souffrent des performances modérées, de la faible flexibilité et de l'utilisation de composés toxiques. Ainsi, l'approche nanocomposite céramique/polymère est très prometteuse pour les applications de stockage et de récupération d'énergie à haut rendement, en raison de la constante diélectrique élevée de la céramique et de la résistance à la rupture élevée, de la flexibilité et de la facilité de traitement du polymère. Cette thèse est articulée autour de la conception de nanocomposites céramique (BCZT)/polymère (PLA) pour répondre à ces exigences. Tout d'abord, des synthèses contrôlées de céramiques BCZT avec différentes tailles de particules, distributions de tailles et formes ont été réalisées et discutées. Les effets de la taille des particules et de la forme des grains des céramiques BCZT sur les propriétés diélectriques ont été étudiés. Il a été constaté que la céramique BCZT avec des particules presque sphériques élaborée par le procédé hydrothermal à basse température à 160 °C a révélé des propriétés diélectriques et ferroélectriques améliorées par rapport aux autres céramiques BCZT préparées par d’autres méthodes. Ensuite, des particules quasi sphériques BCZT, des nanorods BCZT et des nanofils HZTO ont été incorporés dans la matrice polymère PLA biodégradable. Les effets de la forme, de l’arrangement, de la constante diélectrique et du facteur de forme de la céramique sur la constante diélectrique du nanocomposite ont été étudiés en utilisant la constante diélectrique effective des modèles de nanocomposite. A l’issu de cette étude, il a été constaté que pour améliorer les propriétés diélectriques du composite, il n'est pas nécessaire d'utiliser des charges céramiques à haute permittivité mais plutôt, contrôler leurs géométries au sien du composite. Par la suite, les performances de stockage d'énergie des nanocomposites à base de PLA ont été évaluées par des boucles d'hystérésis D−E. Ainsi, une forte capacité de stockage énergie a été obtenue dans les nanocomposites à base de charges en forme de bâtonnets. L'aspect récupération d'énergie a été étudié en concevant un nanogénérateur piézoélectrique bio-flexible (BF-PNG) à base d’un film nanocomposite BCZT/PLA pour convertir l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ce BF-PNG pourrait générer une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit de 14,4 V et 0,55 µA respectivement, et une grande densité de puissance de 7,54 mW/cm3 à une faible charge résistive de 3,5 MΩ, sous un léger tapotement du doigt. La faisabilité du BF-PNG a été testée en pilotant l'électronique commerciale (charge de condensateurs et allumage d'une LED). En conséquence, ce travail démontre que la céramique écologique sans plomb BCZT en combinaison avec le biopolymère PLA peut conduire à des nanocomposites flexibles avec des performances améliorées de stockage et de récupération d'énergie pour des applications dans des dispositifs auto-alimentés.The existing energy storage and harvesting devices suffer from the moderate performances, low flexibility and the use of toxic compounds. This is how ceramic/polymer nanocomposite approach is highly promising for high-efficiency energy storage and harvesting applications, due to the high dielectric constant of the ceramic and the high breakdown strength, the flexibility and the ease of processing of the polymer. This thesis focuses on designing ceramic (BCZT)/polymer (PLA) nanocomposites for these applications. First, controlled syntheses of BCZT ceramics with different particle sizes, size distributions and shapes were performed and discussed. The effects of grain size and grain shape of BCZT ceramics on the dielectric properties were studied. It was found that the BCZT ceramic with near-spherical particles elaborated by low-temperature hydrothermal processing at 160 °C revealed enhanced dielectric and ferroelectric properties compared to the BCZT ceramics synthesized by other methods. Second, BCZT near-spherical particles BCZT nanorods and HZTO nanowires were embedded in the biodegradable PLA polymer matrix. The effects of the ceramic shape, arrangement, dielectric constant and aspect ratio on the dielectric constant of the nanocomposite were explored using the effective dielectric constant of the nanocomposite models. It was found that for improving the dielectric properties of the composite, it is important to control the ceramic fillers geometry rather the use of high-k ceramics. Afterwards, the energy storage properties of PLA-based nanocomposites were evaluated by D−E hysteresis loops, and high-energy storage performances were obtained in the nanocomposites based on rod-like fillers. The energy harvesting aspect was investigated by designing a bio-flexible piezoelectric nanogenerator (BF-PNG) based on BCZT/PLA nanocomposite film to convert the ambient mechanical energy to electrical energy. This BF-PNG could generate open-circuit voltage and short-circuit current of 14.4 V and 0.55 µA, respectively, and large power density of 7.54 mW/cm3 at a low resistive load of 3.5 MΩ, under gentle finger tapping. The feasibility of the BF-PNG was tested by driving commercial electronics (charging capacitors and lighting an LED). Accordingly, this work demonstrates that BCZT lead-free ceramic in combination with PLA biopolymer can lead to flexible nanocomposite with enhanced energy storage and energy harvesting performances for application in self-powered devices

Design of flexible lead-free ceramic/biopolymer composite for energy storage and energy harvesting applications

Les dispositifs de stockage et de récupération d'énergie existants souffrent des performances modérées, de la faible flexibilité et de l'utilisation de composés toxiques. Ainsi, l'approche nanocomposite céramique/polymère est très prometteuse pour les applications de stockage et de récupération d'énergie à haut rendement, en raison de la constante diélectrique élevée de la céramique et de la résistance à la rupture élevée, de la flexibilité et de la facilité de traitement du polymère. Cette thèse est articulée autour de la conception de nanocomposites céramique (BCZT)/polymère (PLA) pour répondre à ces exigences. Tout d'abord, des synthèses contrôlées de céramiques BCZT avec différentes tailles de particules, distributions de tailles et formes ont été réalisées et discutées. Les effets de la taille des particules et de la forme des grains des céramiques BCZT sur les propriétés diélectriques ont été étudiés. Il a été constaté que la céramique BCZT avec des particules presque sphériques élaborée par le procédé hydrothermal à basse température à 160 °C a révélé des propriétés diélectriques et ferroélectriques améliorées par rapport aux autres céramiques BCZT préparées par d’autres méthodes. Ensuite, des particules quasi sphériques BCZT, des nanorods BCZT et des nanofils HZTO ont été incorporés dans la matrice polymère PLA biodégradable. Les effets de la forme, de l’arrangement, de la constante diélectrique et du facteur de forme de la céramique sur la constante diélectrique du nanocomposite ont été étudiés en utilisant la constante diélectrique effective des modèles de nanocomposite. A l’issu de cette étude, il a été constaté que pour améliorer les propriétés diélectriques du composite, il n'est pas nécessaire d'utiliser des charges céramiques à haute permittivité mais plutôt, contrôler leurs géométries au sien du composite. Par la suite, les performances de stockage d'énergie des nanocomposites à base de PLA ont été évaluées par des boucles d'hystérésis D−E. Ainsi, une forte capacité de stockage énergie a été obtenue dans les nanocomposites à base de charges en forme de bâtonnets. L'aspect récupération d'énergie a été étudié en concevant un nanogénérateur piézoélectrique bio-flexible (BF-PNG) à base d’un film nanocomposite BCZT/PLA pour convertir l'énergie mécanique ambiante en énergie électrique. Ce BF-PNG pourrait générer une tension en circuit ouvert et un courant de court-circuit de 14,4 V et 0,55 µA respectivement, et une grande densité de puissance de 7,54 mW/cm3 à une faible charge résistive de 3,5 MΩ, sous un léger tapotement du doigt. La faisabilité du BF-PNG a été testée en pilotant l'électronique commerciale (charge de condensateurs et allumage d'une LED). En conséquence, ce travail démontre que la céramique écologique sans plomb BCZT en combinaison avec le biopolymère PLA peut conduire à des nanocomposites flexibles avec des performances améliorées de stockage et de récupération d'énergie pour des applications dans des dispositifs auto-alimentés.The existing energy storage and harvesting devices suffer from the moderate performances, low flexibility and the use of toxic compounds. This is how ceramic/polymer nanocomposite approach is highly promising for high-efficiency energy storage and harvesting applications, due to the high dielectric constant of the ceramic and the high breakdown strength, the flexibility and the ease of processing of the polymer. This thesis focuses on designing ceramic (BCZT)/polymer (PLA) nanocomposites for these applications. First, controlled syntheses of BCZT ceramics with different particle sizes, size distributions and shapes were performed and discussed. The effects of grain size and grain shape of BCZT ceramics on the dielectric properties were studied. It was found that the BCZT ceramic with near-spherical particles elaborated by low-temperature hydrothermal processing at 160 °C revealed enhanced dielectric and ferroelectric properties compared to the BCZT ceramics synthesized by other methods. Second, BCZT near-spherical particles BCZT nanorods and HZTO nanowires were embedded in the biodegradable PLA polymer matrix. The effects of the ceramic shape, arrangement, dielectric constant and aspect ratio on the dielectric constant of the nanocomposite were explored using the effective dielectric constant of the nanocomposite models. It was found that for improving the dielectric properties of the composite, it is important to control the ceramic fillers geometry rather the use of high-k ceramics. Afterwards, the energy storage properties of PLA-based nanocomposites were evaluated by D−E hysteresis loops, and high-energy storage performances were obtained in the nanocomposites based on rod-like fillers. The energy harvesting aspect was investigated by designing a bio-flexible piezoelectric nanogenerator (BF-PNG) based on BCZT/PLA nanocomposite film to convert the ambient mechanical energy to electrical energy. This BF-PNG could generate open-circuit voltage and short-circuit current of 14.4 V and 0.55 µA, respectively, and large power density of 7.54 mW/cm3 at a low resistive load of 3.5 MΩ, under gentle finger tapping. The feasibility of the BF-PNG was tested by driving commercial electronics (charging capacitors and lighting an LED). Accordingly, this work demonstrates that BCZT lead-free ceramic in combination with PLA biopolymer can lead to flexible nanocomposite with enhanced energy storage and energy harvesting performances for application in self-powered devices

Very-low temperature synthesis of pure and crystalline lead-free Ba.85Ca.15Zr.1Ti.9O3 ceramic

The site-doping strategy of barium titanate (BaTiO3) is a promising way to develop new lead-free materials for energy with enhanced dielectric and piezoelectric properties. A novel strategy to elaborated pure and crystalline Ba.85Ca.15Zr.1Ti.9O3 (BCZT) ferroelectric powders at low temperature is proposed. It is based on sol-gel method followed by a hydrothermal reaction. The effects of preparation temperature on structure, crystallinity, purity, morphology and particles size distribution of BCZT powders were studied. It was clearly shown that pure and crystalline BCZT could be obtained over 80 °C. Furthermore, the BCZT particles exhibit a spherical shape whose mean size increases from 145 nm at 40 °C to 160 nm at 80 °C. The present study may provide a new strategy to design lead-free ferroelectric materials with enhanced structure and microstructure properties at very low temperature

Enhancement of dielectric properties of lead-free BCZT ferroelectric ceramics by grain size engineering

Lead-free Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 (BCZT) ceramics had attracted much attention for the fabrication of microelectronic devices by virtue of their excellent dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties. To understand the effects of both mean grain size and grain size distribution on the dielectric properties of lead-free Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3 (BCZT) ferroelectric relaxors, an original method was proposed. It is based on the surfactant-assisted solvothermal processing coupled with low-temperature conventional sintering at 1250 °C. In this way, three highly dense BCZT with different mean grain size and dissimilar grain size distribution were designed. A significant increase of dielectric properties was obtained by a control of grain size and densification process. The dielectric constants measured were ranged from 5370 to 9646 and the dielectric loss was enhanced by 70%. Surprisingly, it was evidenced that there is unequivocal link between mean grain size with dielectric properties. Indeed, it was found that the presence of high density of refined grains leads to an improvement of dielectric properties due to an enhancement of densification. This work may provide a new strategy to design ferroelectric materials with enhanced properties

Phase transitions, energy storage performances and electrocaloric effect of the lead-free Ba0.85Ca0.15Zr0.10Ti0.90O3 ceramic relaxor

Lead-free Ba0.85Ca0.15Zr0.10Ti0.90O3 (BCZT) ceramic exhibits excellent dielectric, ferroelectric and piezoelectric properties at the morphotropic phase boundary (MPB). Previously, we demonstrated that the use of the anionic surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS, NaC12H25SO4) could enhance the dielectric properties of BCZT ceramic using surfactant-assisted solvothermal processing [1]. In the present study, structural, dielectric, ferroelectric properties, as well as electrocaloric effect and energy storage performances of this BCZT ceramic were thoroughly investigated. X-ray diffraction (XRD) measurements revealed the presence of single perovskite phase at room temperature with the coexistence of orthorhombic and tetragonal symmetries. In-situ Raman spectroscopy results confirmed the existence of all phase transitions from rhombohedral through orthorhombic and tetragonal to cubic symmetries when the temperature varies as reported in undoped-BaTiO3. Evolution of energy storage performances with temperature have been investigated. BCZT ceramic exhibits a high energy storage efficiency of ~ 80% at 120 °C. In addition, the electrocaloric responsivity was found to be 0.164 × 10−6 K·m/V at 363 K

The paradigm of the filler's dielectric permittivity and aspect ratio in high- k polymer nanocomposites for energy storage applications

International audienceCeramic/polymer nanocomposites are promising materials for energy storage applications. The most common approach to optimize energy storage properties relies on combining a ceramic and a polymer having the highest possible dielectric permittivity and breakdown strength, respectively. It is also known that another significant factor is the aspect ratio of nanofillers where a higher aspect ratio gives rise to a higher effective dielectric permittivity of the composite. There is thus a duality between the dielectric permittivity of the ceramic and its aspect ratio that we propose to study in this paper. To achieve this, high-k nanocomposites were designed based on biodegradable polymer matrix polylactic acid (PLA) and different inorganic nanofillers having different shapes (spherical, rod and wire) and dielectric properties. The effects of the aspect ratio, core–shell structure, dielectric permittivity and volume fraction of the nanofillers on the dielectric and energy storage performances of PLA-based nanocomposites were assessed. An enhanced energy storage density and recovered energy density of 3.63 and 1.80 J cm−3, respectively, were obtained in nanocomposites based on rod-like fillers. We discussed, from a theoretical model, that, below the percolation threshold, the obtained properties resulted from a compromise between both the dielectric permittivity and the aspect ratio of the ceramic. This investigation provides an exciting opportunity to advance our knowledge of ceramic/polymer nanocomposites for energy storage applications

Lead-free nanocomposite piezoelectric nanogenerator film for biomechanical energy harvesting

Piezoelectric nanogenerators are attracting substantial attention due to the environmental constraints and ecological considerations of energy harvesting. However, the Achilles' heel of the majority of these nanogenerators is the presence of toxic compounds or the requirement of a poling process to promote higher piezoelectric effect. Here, a self-poled and bio-flexible piezoelectric nanogenerator (BF-PNG) is designed, based on lead-free biocompatible Ba0.85Ca0.15Zr0.10Ti0.90O3 nanoparticles that are functionalized with polydopamine and embedded in the polylactic acid biodegradable polymer. The BF-PNG can generate open-circuit voltage and short-circuit current of 14.4 V and 0.55 µA, respectively, under gentle finger tapping. Furthermore, it demonstrates an outstanding high mechanical robustness, stable and durable output even after one year. It achieves a maximum power density of about 7.54 mW/cm3 at a low resistive load of 3.5 MΩ. The feasibility of the BF-PNG by trigging commercial electronics such as charging capacitors and lighting a LED is verified, and the BF-PNG can drive a 1 µF capacitor to store the energy of 3.92 µJ within 115 s under gentle finger tapping. This research demonstrates that a lead-free piezoceramic in combination with a biodegradable piezopolymer can lead to a design of bio-flexible piezoelectric nanogenerators with outstanding performances and in particular useful in self-powered medical devices