NREL afslører potentiale for at opfange spildvarme via nanorør

En finjusteret carbon nanorør tynd film har potentialet til at fungere som en termoelektrisk strømgenerator, der fanger og bruger spildvarme, ifølge forskere ved Energiministeriets National Renewable Energy Laboratory (NREL).

Forskningen kan hjælpe med at guide fremstillingen af ​​termoelektriske enheder baseret på enten enkeltvæggede kulstof nanorør (SWCNT) film eller kompositter indeholdende disse nanorør. Fordi mere end halvdelen af ​​den energi, der forbruges på verdensplan, primært afvises som spildvarme, ideen om termoelektrisk elproduktion dukker op som en vigtig del af vedvarende energi og energieffektivitetsporteføljer.

"Der har ikke været mange eksempler, hvor folk virkelig har set på de iboende termoelektriske egenskaber af kulstofnanorør, og det er det, vi føler, at dette papir gør, " sagde Andrew Ferguson, en forsker i NREL's Chemical and Materials Science Center og co-lead forfatter af papiret sammen med Jeffrey Blackburn.

Forskningen, "Skræddersyede halvledende carbon nanorør-netværk med forbedrede termoelektriske egenskaber, " står i journalen Naturenergi , og er et samarbejde mellem NREL, Professor Yong-Hyun Kims gruppe ved Korea Advanced Institute of Science and Technology, og professor Barry Zinks gruppe ved University of Denver. De andre forfattere fra NREL er Azure Avery (nu assisterende professor ved Metropolitan State University of Denver), Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mistry, og Sarah Guillot.

Nanostrukturerede uorganiske halvledere har vist løfte om at forbedre ydeevnen af ​​termoelektriske enheder. Uorganiske materialer kan løbe ind i problemer, når halvlederen skal være let, fleksibel, eller uregelmæssigt formede, fordi de ofte er tunge og mangler den nødvendige fleksibilitet. Kulstof nanorør, som er økologiske, er lettere og mere fleksible.

Hvor nyttig en bestemt SWCNT er til termoelektrik, imidlertid, afhænger af, om nanorøret er metallisk eller en halvleder, som begge produceres samtidigt i SWCNT-synteser. Et metallisk nanorør ville skade enheder såsom en termoelektrisk generator, hvorimod et halvleder nanorør faktisk forbedrer ydeevnen. Desuden, som med de fleste optiske og elektriske enheder, det elektriske båndgab af den halvledende SWCNT bør også påvirke den termoelektriske ydeevne.

Heldigvis, Sort brændt, en senior videnskabsmand og leder af NREL's Spectroscopy and Photoscience-gruppe, har udviklet en ekspertise i at adskille halvledende nanorør fra metalliske, og hans metoder var afgørende for forskningen, sagde Ferguson.

"Vi har en klar fordel her, at vi faktisk kan bruge det til at undersøge de grundlæggende egenskaber af nanorørene, " han sagde.

For at generere stærkt berigede halvledende prøver, forskerne udtog nanorør fra polydispers sod ved hjælp af polyfluoren-baserede polymerer. De halvledende SWCNT'er blev forberedt på et glassubstrat for at skabe en film, som derefter blev gennemblødt i en opløsning af oxidant, triethyloxoniumhexachlorantimonat (OA), en proces kendt som "doping". Doping øger tætheden af ​​ladningsbærere, som strømmer gennem filmen for at lede elektricitet. Forskerne fandt, at de prøver, der klarede sig bedst, var udsat for en højere koncentration af OA, men ikke på de højeste dopingniveauer. De opdagede også en optimal diameter for et carbon nanorør for at opnå den bedste termoelektriske ydeevne.

Når det kommer til termoelektriske materialer, der eksisterer en afvejning mellem termokraft (den spænding, der opnås, når et materiale udsættes for en temperaturgradient) og elektrisk ledningsevne, fordi termoeffekt falder med stigende ledningsevne. Forskerne opdagede, imidlertid, at man med kulstof nanorør kan beholde store termokræfter selv ved meget høje elektriske ledningsevner. Desuden, forskerne fandt ud af, at deres dopingstrategi, mens den elektriske ledningsevne øges dramatisk, faktisk reduceret den termiske ledningsevne. Dette uventede resultat er en anden fordel ved kulstofnanorør til termoelektrisk energiproduktion, da de bedste termoelektriske materialer skal have høj elektrisk ledningsevne og termokraft, samtidig med at lav varmeledningsevne opretholdes.