Forsyner bærbare enheder med højtydende carbon nanorør-garn

Med væksten af ​​Internet of Things anses bæredygtige løsninger til at drive trådløse sensorer og enheder som vigtige. Termoelektriske generatorer, som for eksempel har evnen til at omdanne spildvarme til elektricitet, kan tilbyde en bæredygtig løsning. Forskere over hele verden har arbejdet på sådanne løsninger.

Et forskerhold, ledet af Masakazu Nakamura fra Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan har også arbejdet på fleksible, bærbare termoelektriske generatorer, der producerer elektricitet fra kropsvarme ved at sy nanomaterialer kaldet kulstofnanorør (CNT'er) ind i stof.

Effektive termoelektriske (TE) materialer er kendetegnet ved høj elektrisk ledningsevne, hvilket muliggør høj elektrisk strøm og en stor Seebeck-koefficient, der genererer spænding ved temperaturforskel. CNT'er opfylder de fleste af disse krav. Deres fleksibilitet og høje mekaniske styrke gør dem også lovende til forskellige TE-applikationer. Den høje termiske ledningsevne af CNT'er begrænser imidlertid deres TE-ydeevne.

For at sænke deres varmeledningsevne spredes CNT'er i en opløsning, hvor de kan kombineres med andre materialer. Denne dispersion spindes derefter til CNT-garn ved hjælp af en vådspinningsproces. Konventionelle spredningsmetoder vikler dog ofte nanometertykke CNT-filamenter ind, hvilket sænker deres elektriske ledningsevne og termoelektriske ydeevne.

Men nu i en undersøgelse offentliggjort i ACS Applied Nano Materials , Nakamura, sammen med en ph.d. studerende Anh N. Nguyen og andre medlemmer også fra NAIST introducerer en ny metode til at sprede CNT'er. Ved at bruge glycerol som et dispergeringsmiddel og polyoxyethylen(50)-stearylether som et overfladeaktivt middel (et stof, der bruges til at forbedre sprednings- og befugtningsegenskaberne af en væske), opnåede forskerne et CNT-garn med afstemte CNT-bundter.

"Vi introducerer en billig, hurtig og miljøvenlig metode til udvikling af fleksible termoelektriske enheder af tekstiltypen," siger Nakamura.

Glycerol er meget viskøst, hvilket gør det til et fremragende medium til jævnt at sprede CNT'er, mens det overfladeaktive middel forhindrer CNT'erne i at agglomerere i dispersionen. De overfladeaktive stoffer med oxyethylengrupper hæmmer også varmeoverførslen ved at komme ind mellem CNT-bundterne.

Koncentrationen af ​​overfladeaktivt stof er afgørende, da det påvirker både den termiske og elektriske ledningsevne af CNT-dispersionen. Efter at have testet CNT-egenskaber ved forskellige koncentrationer af overfladeaktive stoffer (3 %, 4 % og 5 %), fandt forskerne ud af, at en koncentration af overfladeaktive stoffer på 3 %, når det kombineres med en opløsning indeholdende glycerol og CNT'er, gav de bedste resultater. Processen, som kun tog tre timer at færdiggøre og brugte miljøvenlige kemikalier, producerede CNT-garn med højt justerede CNT-bundter med otte nm diameter med overfladeaktivt stof imellem dem.

Justering af CNT'erne øger typisk både den elektriske og termiske ledningsevne. Men ved at klemme overfladeaktive molekyler mellem CNT-bundter var forskere i stand til at undertrykke varmetransport. CNT-garnene havde en effektfaktor på 242 μW m ⁻¹ K ⁻² (afspejler ydeevnen) tre gange højere end den for CNT-garn, der tidligere er opnået fra metoder, der bruger ioniske væsker som dispergeringsmidler.

"Nøglen til høj ydeevne er at optrevle sammenfiltringen af ​​det rå CNT-materiale og øge graden af ​​CNT-orientering, når det drejes fra dispersionen," forklarer Nakamura.

Den foreslåede nye tilgang lover således at forbedre den termoelektriske ydeevne af CNT-materialer fra garn til film og bulkstrukturer.

Flere oplysninger: Anh N. Nguyen et al., Carbon Nanotube-garn skræddersyet ved hjælp af dispergeringsmidler og overfladeaktive stoffer til fleksible og bærbare termoelektriske generatorer, ACS-anvendte nanomaterialer (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c00497

Leveret af Nara Institute of Science and Technology