Use of nanoparticles for energy and sensing applications

Abstract

(English) In this work, different nano, sub-micron, and microparticle materials have been embedded in various types of electrolytes, including ionic liquid gel polymer electrolytes (ILGPEs) and sodium chloride (NaCl), to enhance the performance of the filler-free fabricated capacitive devices for energy and sensing applications. The integration of these particles relies on their properties and beneficial role in devices for energy and sensing applications. In the energy field, this thesis explores the effect of incorporating SiO2 and Si@C sub-micron and nanoparticles into an ILGPE to enhance its energy storage capability. This work highlights the integration of these nanoparticles to improve the physicochemical characteristics of an ILGPE and, hence, its electrical performance, aiming to address the characteristic limitations of liquid electrolytes, such as leakage, or of GPEs, such as restricted ion conduction or high crystallinity. The composite ILGPEs exhibited capacitance improvements of 71% and 42%, for SiO2 and Si@C CGPEs, respectively, thereby demonstrating the beneficial role of these composites. Regarding the sensing field, this thesis explores two novel layers incorporating SiO2 particles into humidity and proximity sensing applications. Firstly, the viability of an ILGPE as a humidity-sensitive layer is assessed, and then different combinations of SiO2 nanoparticles and polyvinylpyrrolidone (PVP) are embedded into the ILGPE to enhance its humidity-sensing performance through increased sensitivity and reduced hysteresis. The results show that the SiO2 filler-ILGPEs achieve higher sensitivities and lower hysteresis. Secondly, a proximity sensor is developed using a dielectric layer formed from a mixture of SiO2 particles and NaCl. The fabricated proximity sensor has revealed a maximum capacitance sensitivity of 47.4 cm-1 and an operation range of 2-14 cm. Both layers exhibit effective potential for sensing applications and leverage the benefits of using environmentally friendly and cost-effective materials. Finally, in this thesis, a new surface modification of a polytetrafluoroethylene (PTFE) layer has been investigated, which allows for change from hydrophilic and hydrophobic characteristics. The proposed method can be helpful to optimize the electrospray deposition technique for particle coatings. This study contributes to enabling technology by improving the deposition processes and enhancing the coatings' functionality in energy storage and sensor applications. Summarising, this thesis has suggested the use of SiO2 nanoparticles as a good alternative for tailoring electrolyte properties, defined a starting point in the use of SiO2 nanoparticles as a proximity-sensitive layer, and revealed novel CILGPEs that can be integrated into humidity sensing and energy

(Català) En aquest treball s'han incorporat diferents materials en forma de nano, submicro i micropartícules en diversos tipus d'electròlits, incloent-hi electròlits polimèrics gelificats amb líquids iònics (ILGPEs, per les seves sigles en anglès) i clorur de sodi (NaCl), amb l'objectiu de millorar el rendiment de dispositius capacitius fabricats sense partícules per a aplicacions d'energia i detecció. La integració d'aquestes partícules depèn de les seves propietats i del seu beneficiós rol, prèviament demostrat, en dispositius per a aquestes aplicacions. En el camp de l'energia, aquesta tesi explora l'efecte d'incorporar submicro i nanopartícules de SiO2 i Si@c en un ILGPE amb la finalitat de potenciar la seva capacitat d'emmagatzematge de càrrega. Aquest treball destaca la integració d'aquestes nanopartícules per a millorar les característiques fisicoquímiques d'un ILGPE i, per tant, el seu rendiment elèctric, amb la finalitat d'abordar les limitacions típiques dels electròlits líquids, com les fugides, o dels GPEs, com la conducció iònica restringida o la seva fase cristal·lina. Els ILGPEs amb partícules de SiO2 i Si@c van mostrar millores en la capacitancia del 71% i 42%, respectivament, demostrant així el seu paper beneficiós. En referència al camp dels sensors, aquesta tesi explora dues noves capes que incorporen partícules de SiO2 en aplicacions de detecció d'humitat i proximitat. Primer, s'avalua la viabilitat d'un ILGPE com a capa sensible a la humitat. Una vegada validada la seva sensibilitat a la humitat, es van incorporar diferents combinacions de nanopartícules de SiO2 i polivinilpirrolidona (PVP) en el ILGPE amb l'objectiu de millorar el seu rendiment en la detecció mitjançant una major sensibilitat i una reducció de la histèresi. Els resultats mostren que els ILGPEs amb partícules de SiO2 aconsegueixen majors sensibilitats i menor histèresi. En segon lloc, es desenvolupa un sensor de proximitat utilitzant una capa dielèctrica formada per una mescla de partícules de SiO2 i NaCl. El sensor de proximitat fabricat va revelar una sensibilitat màxima de la capacitancia de 47.4 cm-1 i un rang d'operació de 2 a 14 cm. Totes dues capes basades en partícules de SiO2 no sols van revelar un potencial per a aplicacions de detecció, sinó que també ofereixen els beneficis d'usar materials ecològics i econòmics. Finalment, en aquesta tesi s'ha investigat una nova modificació superficial d'una capa de politetrafluoretilè (PTFE), que permet canviar entre característiques hidrofíliques i hidrofòbiques. El mètode proposat pot ser útil per a optimitzar la tècnica de deposició per "electrospray" per a recobriments de partícules, oferint una forma ràpida i senzilla per a realitzar “patterned electrospray”. En resum, aquesta tesi ha suggerit l'ús de nanopartícules de SiO2 com una bona alternativa per a adaptar les propietats dels electròlits, ha definit un punt de partida en l'ús de nanopartícules de SiO2 com a capa sensible a la proximitat, i ha revelat nous CILGPEs que poden integrar-se en aplicacions de detecció d'humitat i energia.

(Español) En este trabajo se han incorporado diferentes materiales en forma de nano, submicro y micropartículas en varios tipos de electrolitos, incluyendo electrolitos poliméricos gelificados con líquidos iónicos (ILGPEs, por sus siglas en inglés) y cloruro de sodio (NaCl), con el objetivo de mejorar el rendimiento de dispositivos capacitivos fabricados sin partículas para aplicaciones de energía y detección. La integración de estas partículas depende de sus propiedades y de su beneficioso rol, previamente demostrado, en dispositivos para dichas aplicaciones. En el campo de la energía, esta tesis explora el efecto de incorporar submicro y nanopartículas de SiO2 y Si@C en un ILGPE con el fin de potenciar su capacidad de almacenamiento de carga. Este trabajo destaca la integración de estas nanopartículas para mejorar las características fisicoquímicas de un ILGPE y, por ende, su rendimiento eléctrico, con el fin de abordar las limitaciones típicas de los electrolitos líquidos, como las fugas, o de los GPEs, como la conducción iónica restringida o su alta cristalinidad. Los ILGPEs con partículas de SiO2 y Si@C mostraron mejoras en la capacitancia del 71% y 42%, respectivamente, demostrando así su papel beneficioso. En referencia al campo de los sensores, esta tesis explora dos nuevas capas que incorporan partículas de SiO2 en aplicaciones de detección de humedad y proximidad. Primero, se evalúa la viabilidad de un ILGPE como capa sensible a la humedad. Una vez validada su sensibilidad a la humedad, se incorporaron diferentes combinaciones de nanopartículas de SiO2 y polivinilpirrolidona (PVP) en el ILGPE con el objetivo de mejorar su rendimiento en la detección mediante una mayor sensibilidad y una reducción de la histéresis. Los resultados muestran que los ILGPEs con partículas de SiO2 alcanzan mayores sensibilidades y menor histéresis. En segundo lugar, se desarrolla un sensor de proximidad utilizando una capa dieléctrica formada por una mezcla de partículas de SiO2 y NaCl. El sensor de proximidad fabricado reveló una sensibilidad máxima de la capacitancia de 47.4 cm-1 y un rango de operación de 2 a 14 cm. Ambas capas basadas en partículas de SiO2 no solo revelaron un potencial para aplicaciones de detección, sino que también ofrecen los beneficios de usar materiales ecológicos y económicos. Finalmente, en esta tesis se ha investigado una nueva modificación superficial de una capa de politetrafluoroetileno (PTFE), que permite cambiar entre características hidrofílicas e hidrofóbicas. El método propuesto puede ser útil para optimizar la técnica de deposición por "electrospray" para recubrimientos de partículas, ofreciendo una forma rápida y sencilla para realizar “patterned electrospray”. En resumen, esta tesis ha sugerido el uso de nanopartículas de SiO2 como una buena alternativa para adaptar las propiedades de los electrolitos, ha definido un punto de partida en el uso de nanopartículas de SiO2 como capa sensible a la proximidad, y ha revelado nuevos CILGPEs que pueden integrarse en aplicaciones de detección de humedad y energía.