Una película delgada de nanotubos de carbono finamente ajustada tiene el potencial de actuar como un generador de energía termoeléctrica que captura y utiliza el calor residual, según los investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable NREL del Departamento de Energía.
La investigación podría ayudar a guiar la fabricación de dispositivos termoeléctricos basados en películas de nanotubos de carbono de pared simple SWCNT o compuestos que contengan estos nanotubos. Debido a que más de la mitad de la energía consumida en todo el mundo se rechaza principalmente como calor residual, la idea de termoeléctricaLa generación de energía está emergiendo como una parte importante de las carteras de energía renovable y eficiencia energética.
"No ha habido muchos ejemplos en los que las personas realmente hayan analizado las propiedades termoeléctricas intrínsecas de los nanotubos de carbono y eso es lo que creemos que hace este trabajo", dijo Andrew Ferguson, científico investigador en el Centro de Ciencias Químicas y Materiales de NREL y co-líderautor del artículo con Jeffrey Blackburn.
La investigación, "Redes de nanotubos de carbono semiconductores a medida con propiedades termoeléctricas mejoradas" aparece en la revista Energía natural y es una colaboración entre NREL, el grupo del profesor Yong-Hyun Kim en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea y el grupo del profesor Barry Zink en la Universidad de Denver. Los otros autores de NREL son Azure Avery ahora profesor asistenteen la Universidad Estatal Metropolitana de Denver, Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mistry y Sarah Guillot.
Los semiconductores inorgánicos nanoestructurados han demostrado ser prometedores para mejorar el rendimiento de los dispositivos termoeléctricos. Los materiales inorgánicos pueden tener problemas cuando el semiconductor necesita ser liviano, flexible o de forma irregular porque a menudo son pesados y carecen de la flexibilidad requerida. Nanotubos de carbono, queson orgánicos, son más ligeros y más flexibles.
Lo útil que es un SWCNT particular para termoeléctricos, sin embargo, depende de si el nanotubo es metálico o un semiconductor, los cuales se producen simultáneamente en las síntesis de SWCNT. Un nanotubo metálico dañaría dispositivos como un generador termoeléctrico, mientras que un nanotubo semiconductoren realidad mejora el rendimiento. Además, al igual que con la mayoría de los dispositivos ópticos y eléctricos, la brecha de banda eléctrica del SWCNT semiconductor también debería afectar el rendimiento termoeléctrico.
Afortunadamente, Blackburn, científico principal y gerente del grupo de Espectroscopía y Fotosciencia de NREL, ha desarrollado una experiencia en la separación de nanotubos semiconductores de los metálicos y sus métodos fueron críticos para la investigación, dijo Ferguson.
"Tenemos una clara ventaja aquí de que realmente podemos usar eso para probar las propiedades fundamentales de los nanotubos", dijo.
Para generar muestras semiconductoras altamente enriquecidas, los investigadores extrajeron nanotubos de hollín polidisperso utilizando polímeros a base de polifluoreno. Los SWCNT semiconductores se prepararon en un sustrato de vidrio para crear una película, que luego se empapó en una solución de oxidante, hexacloroantimonato de trietiloxonio OA, un proceso conocido como "dopaje". El dopaje aumenta la densidad de los portadores de carga, que fluyen a través de la película para conducir la electricidad. Los investigadores descubrieron que las muestras con mejor rendimiento estaban expuestas a una mayor concentración de OA, pero no al máximoniveles de dopaje. También descubrieron un diámetro óptimo para un nanotubo de carbono para lograr el mejor rendimiento termoeléctrico.
Cuando se trata de materiales termoeléctricos, existe una compensación entre la energía termoeléctrica el voltaje obtenido al someter un material a un gradiente de temperatura y la conductividad eléctrica porque la energía termoeléctrica disminuye al aumentar la conductividad. Sin embargo, los investigadores descubrieron que con los nanotubos de carbonopuede retener grandes termopoderes incluso a conductividades eléctricas muy altas. Además, los investigadores descubrieron que su estrategia de dopaje, al tiempo que aumenta dramáticamente la conductividad eléctrica, en realidad disminuyó la conductividad térmica. Este resultado inesperado es otro beneficio de los nanotubos de carbono para la generación de energía termoeléctrica, ya quelos mejores materiales termoeléctricos deben tener una alta conductividad eléctrica y termoeléctrica, al tiempo que mantienen una baja conductividad térmica.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Energía Renovable . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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