Исследования могут помочь в производстве термоэлектрических устройств на основе пленок однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) или композитов, содержащих эти нанотрубки. Поскольку более половины потребляемой во всем мире энергии выбрасывается в основном как отходящее тепло, идея выработки термоэлектрической энергии становится важной частью портфелей возобновляемых источников энергии и энергоэффективности.«Было не так много примеров, когда люди действительно смотрели на внутренние термоэлектрические свойства углеродных нанотрубок, и это то, что, по нашему мнению, делает эта статья», — сказал Эндрю Фергюсон, научный сотрудник Центра химии и материаловедения NREL и соавтор книги газета с Джеффри Блэкберном.
Исследование «Специально разработанные сети полупроводниковых углеродных нанотрубок с улучшенными термоэлектрическими свойствами» опубликовано в журнале Nature Energy и является результатом сотрудничества между NREL, группой профессора Юн-Хьюна Кима из Корейского передового института науки и технологий и группой профессора Барри Зинка. в Денверском университете. Другими авторами из NREL являются Азур Эйвери (ныне доцент Столичного государственного университета Денвера), Бен Чжоу, Элиза Миллер, Рашель Ихли, Кевин Мистри и Сара Гийо.
Наноструктурированные неорганические полупроводники продемонстрировали перспективность улучшения характеристик термоэлектрических устройств. Неорганические материалы могут столкнуться с проблемами, когда полупроводник должен быть легким, гибким или иметь неправильную форму, потому что они часто тяжелые и не обладают необходимой гибкостью. Углеродные нанотрубки, которые являются органическими, легче и гибче.Однако насколько полезна конкретная ОСУНТ для термоэлектриков, зависит от того, является ли нанотрубка металлической или полупроводниковой, причем обе из них производятся одновременно в синтезе ОСУНТ.
Металлическая нанотрубка может повредить такие устройства, как термоэлектрический генератор, тогда как полупроводниковая нанотрубка на самом деле увеличивает производительность. Кроме того, как и в большинстве оптических и электрических устройств, электрическая запрещенная зона полупроводниковых ОУНТ также должна влиять на термоэлектрические характеристики.К счастью, Блэкберн, старший научный сотрудник и менеджер группы NREL по спектроскопии и фотобиологии, приобрел опыт отделения полупроводниковых нанотрубок от металлических, и его методы сыграли решающую роль в исследованиях, сказал Фергюсон.
«У нас есть явное преимущество в том, что мы можем использовать это для исследования фундаментальных свойств нанотрубок», — сказал он.Чтобы создать образцы высокообогащенных полупроводников, исследователи извлекли нанотрубки из полидисперсной сажи, используя полимеры на основе полифлуорена.
Полупроводниковые ОУНТ были приготовлены на стеклянной подложке для создания пленки, которую затем пропитали раствором окислителя, гексахлорантимоната триэтилоксония (ОА), процесс, известный как «легирование». Легирование увеличивает плотность носителей заряда, которые проходят через пленку, проводя электричество. Исследователи обнаружили, что образцы с лучшими показателями подвергались воздействию более высокой концентрации ОА, но не самого высокого уровня допинга.
Они также обнаружили оптимальный диаметр углеродной нанотрубки для достижения наилучших термоэлектрических характеристик.Когда дело доходит до термоэлектрических материалов, существует компромисс между термоэдс (напряжение, получаемое при воздействии на материал температурного градиента) и электрической проводимостью, поскольку термоЭДС уменьшается с увеличением проводимости. Однако исследователи обнаружили, что углеродные нанотрубки могут сохранять большую термоЭДС даже при очень высокой электропроводности.
Кроме того, исследователи обнаружили, что их стратегия легирования, резко увеличивая электропроводность, на самом деле снижает теплопроводность. Этот неожиданный результат является еще одним преимуществом углеродных нанотрубок для выработки термоэлектрической энергии, поскольку лучшие термоэлектрические материалы должны обладать высокой электропроводностью и термоэдс при сохранении низкой теплопроводности.