Nye carbon nanorørgarn kan generere elektricitet fra spildvarme

I tråd med den globale indsats for bæredygtighed er udviklingen af ​​energihøstteknologier blevet en topprioritet i forskningen. Selvom vedvarende energikilder som vind- og solenergi for nylig har taget fokus, står spildvarme også som en stort set uudnyttet energikilde. Ved hjælp af termoelektriske materialer kan industriel spildvarme høstes og omdannes til elektrisk energi, hvilket kan hjælpe med at øge effektiviteten af ​​industrielle processer.

Desværre er denne tilgang mindre ligetil for "lavkvalitets" spildvarme (spildvarme, der når temperaturer under 200°C). Hovedproblemet er, at de termoelektriske materialer, der er tilgængelige ved dette temperaturområde, er ret begrænsede. De fleste termoelektriske uorganiske materialer er enten giftige, uoverkommeligt dyre at fremstille eller for stive til applikationer, der kræver fleksibilitet (såsom bærbar elektronik).

På denne baggrund har et forskerhold inklusive forskningslektor Hiroo Suzuki fra Okayama University, Japan, undersøgt anvendelsen af ​​carbon nanorør (CNT) garn i termoelektrisk konvertering.

I en undersøgelse, hvis resultater blev offentliggjort den 12. marts 2024 i Small Methods , adresserede de en stor blokering på dette særlige område:manglen på højtydende n-type CNT-garn (CNT-garn med et overskud af elektroner) til lavkvalitets spildvarme, i modsætning til p-type CNT-garn (garn med overskud af positive ladningsbærere). Denne artikel er medforfattet af Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa og Yasuhiko Hayashi, alle fra Okayama University.

"Konstrueret af CNT'er er CNT-garn velegnet til praktiske anvendelser, da den garnlignende struktur giver mulighed for fremstilling af fleksible termoelektriske enheder såsom stofbaserede moduler," forklarer Dr. Suzuki.

"Selvom nylige rapporter har vist p-type CNT-garner med en bemærkelsesværdig termoelektrisk effektfaktor, pålægger fraværet af lignende n-type CNT-garner begrænsninger for enhedskonfigurationer, der involverer π-type moduler, som kræver både p- og n-type CNT'er for at opnå høj effektivitet."

For at tackle problemet søgte forskerholdet at etablere en ny dopingmetode (urenhedstilsætning) til effektivt at producere n-type CNT-garn. De valgte 4-(1,3-dimethyl-2,3-dihydro-1H-benzimidazol-2-yl)phenyl)dimethylamin (N-DMBI) som et lovende dopingmiddel på grund af dets høje stabilitet i luft, hvilket er essentielt i de fleste praktiske anvendelser.

Først spundede forskerne CNT-garn ved hjælp af en tørspindeteknik. Disse garner gennemgik derefter en "Joule-glødningsproces", som udsætter materialet for en elektrisk strøm, indtil det når en præcist kontrolleret høj temperatur.

Logikken bag dette behandlingstrin er, at den forbigående varme øger krystalliniteten af ​​CNT'erne og dermed reducerer deres termiske ledningsevne. Til gengæld forbedrer dette deres termoelektriske ydeevne. Desuden forbedrer Joule-udglødning i høj grad de mekaniske egenskaber af garnet.

Dernæst søgte holdet at etablere en optimal N-DMBI-dopingprotokol for CNT-garnene. "Optimeringen af ​​dopingprocessen involverede streng udvælgelse af et passende opløsningsmiddel. Vi vurderede ti forskellige muligheder, herunder ikke-polære opløsningsmidler, polære aprotiske opløsningsmidler og polære protiske opløsningsmidler," kommenterer Dr. Suzuki. "Vi identificerede i sidste ende o-dichlorbenzen som det bedst egnede opløsningsmiddel til N-DMBI-doping ved lave temperaturer, baseret på en analyse af den resulterende Seebeck-koefficient for CNT-garnene."

Efter omfattende eksperimenter rapporterede holdet, at de udglødede, n-doterede CNT-garner opnåede en bemærkelsesværdig høj termoelektriske effektfaktorer inden for temperaturer fra 30 til 200 °C, sammen med et højt værdital (et numerisk udtryk, der repræsenterer ydeevnen eller effektiviteten af et materiale). De testede yderligere dette n-type materiale i en prototype π-type termoelektrisk generator, som kunne producere elektricitet selv ved kun 55°C og en temperaturforskel på 20°C.

"At opnå strømproduktion ved lave temperaturer med små temperaturforskelle er vigtigt for udviklingen af ​​termoelektriske moduler, der kan udnytte forskellige termiske kilder, såsom spildvarme fra industrielle faciliteter, termisk afledning fra køretøjer og endda kropsvarme," bemærker Dr. Suzuki .

"Vores forskning kan således hjælpe med at løse de energiproblemer, som samfundet står over for, og bidrage til energibesparelser gennem effektiv brug af ellers spildt energi. Ydermere kan termoelektriske generatorer bruges som en lokal energikilde til at drive IoT-enheder, såsom fleksible sundhedssensorer."

Samlet set kunne indsigten opnået gennem denne undersøgelse føre til udvikling af bedre organiske termoelektriske materialer, hvilket banede vejen for mere effektiv energiudvinding fra spildvarme.

Flere oplysninger: Hiroo Suzuki et al., N-DMBI-doping af kulstofnanorørgarn til opnåelse af høj n-type termoelektrisk effektfaktor og værdi, Små metoder (2024). DOI:10.1002/smtd.202301387

Journaloplysninger: Små metoder

Leveret af Okayama University