新型碳纳米管纱线可利用余热发电

随着全球努力实现可持续性，能源收集技术的开发已成为研究的首要任务。尽管风能和太阳能等可再生能源最近成为人们关注的焦点，但废热也是一种很大程度上尚未开发的能源。使用热电材料，工业废热可以被收集并转化为电能，这有助于提高工业过程的效率

不幸的是，对于“低品位”废热（废热温度低于200°；C），这种方法并不那么简单。主要问题是在这个温度范围内可用的热电材料非常有限。大多数热电无机材料要么有毒，生产成本高得令人望而却步，要么对于需要灵活性的应用（如可穿戴电子产品）来说过于刚性

在此背景下，包括日本冈山大学研究副教授铃木浩夫在内的一个研究团队一直在研究碳纳米管（CNT）纱线在热电转换中的应用

在2024年3月12日发表在《小方法》杂志上的一项研究中，他们解决了这一特定领域的一个主要障碍：与p型CNT纱线（具有过量正电荷载流子的纱线）相比，缺乏用于低品位废热的高性能n型CNT纱（具有过量电子的CNT纱）。本文由冈山大学的Jun Kametaka、Takeshi Nishikawa和Yasuhiko Hayashi合著

铃木博士解释道：“CNT纱线由CNT制成，非常适合实际应用，因为纱线状结构允许制造柔性热电器件，如基于织物的模块。”

“尽管最近的报告显示p型CNT纱线具有显著的热电功率因数，但类似的n型CNT纱的缺乏对涉及π型模块的器件配置造成了限制，因为π型模块需要p型和n型CNTs才能实现高效率。”

为了解决这个问题，研究团队试图建立一种新的掺杂（杂质添加）方法来有效地生产n型碳纳米管纱。他们选择4-（1,3-二甲基-2,3-二氢-1H-苯并咪唑-2-基）苯基）二甲胺（N-DMBI）作为有前途的掺杂剂，因为它在空气中具有高稳定性，这在大多数实际应用中是必不可少的

首先，研究人员使用干纺技术纺出CNT纱线。然后，这些纱线经过“焦耳退火工艺”，使材料经受电流，直到达到精确控制的高温

该处理步骤的逻辑是瞬态热增加了CNT的结晶度，从而降低了它们的热导率。这反过来又提高了它们的热电性能。此外，焦耳退火大大提高了纱线的机械性能

接下来，该团队试图为CNT纱线建立一个最佳的N-DMBI掺杂方案。铃木博士评论道：“掺杂过程的优化需要严格选择合适的溶剂。我们评估了十种不同的选择，包括非极性溶剂、极性非质子溶剂和极性质子溶剂。”。“基于对CNT纱线的塞贝克系数的分析，我们最终确定邻二氯苯是在低温下进行N-DMBI掺杂的最合适溶剂。”

经过广泛的实验，该团队报告称，退火的N-掺杂CNT纱线在30至200°；C、 以及高的品质因数（表示材料性能或效率的数值表达式）。他们在原型&pi中进一步测试了这种n型材料-型热电发电机，即使在仅55°C的温度下也能发电；C和20°；C.

铃木博士评论道：“实现低温小温差发电对开发能够利用各种热源的热电模块具有重要意义，例如工业设施的废热、车辆的散热，甚至身体热量。”

“因此，我们的研究可以帮助解决社会面临的能源问题，通过有效利用其他浪费的能源来促进节能。此外，热电发电机可以作为本地能源来驱动物联网设备，如柔性健康传感器。”

总的来说，通过这项研究获得的见解可以开发更好的有机热电材料，为更有效地从废热中收集能源铺平道路