En finstämd tunn nanorörs tunn film har potential att fungera som en termoelektrisk kraftgenerator som fångar upp och använder spillvärme, enligt forskare vid Energy Department's National Renewable Energy Laboratory (NREL).
Forskningen kan hjälpa till att styra tillverkningen av termoelektriska enheter baserade på antingen enväggiga kolnanorör (SWCNT) filmer eller kompositer som innehåller dessa nanorör. Eftersom mer än hälften av den energi som konsumeras över hela världen avvisas främst som spillvärme, tanken på termoelektrisk kraftproduktion växer fram som en viktig del av förnybar energi och energieffektivitetsportföljer.
"Det har inte varit många exempel där människor verkligen har tittat på de inneboende termoelektriska egenskaperna hos kolnanorör och det är vad vi tycker att det här papperet gör, "sa Andrew Ferguson, en forskare vid NREL:s Chemical and Materials Science Center och medförfattare till artikeln med Jeffrey Blackburn.
Forskningen, "Skräddarsydda halvledande kolnanorörnät med förbättrade termoelektriska egenskaper, "visas i tidningen Naturenergi , och är ett samarbete mellan NREL, Professor Yong-Hyun Kims grupp vid Korea Advanced Institute of Science and Technology, och professor Barry Zinks grupp vid University of Denver. De andra författarna från NREL är Azure Avery (nu assisterande professor vid Metropolitan State University of Denver), Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mistry, och Sarah Guillot.
Nanostrukturerade oorganiska halvledare har visat sig lova att förbättra prestandan hos termoelektriska enheter. Oorganiska material kan stöta på problem när halvledaren måste vara lätt, flexibel, eller oregelbundet formade eftersom de ofta är tunga och saknar erforderlig flexibilitet. Kolnanorör, som är ekologiska, är lättare och mer flexibla.
Hur användbar en viss SWCNT är för termoelektrisk, dock, beror på om nanoröret är metalliskt eller en halvledare, båda produceras samtidigt i SWCNT -synteser. Ett metalliskt nanorör skulle skada enheter som en termoelektrisk generator, medan ett halvledarnanorör faktiskt förbättrar prestandan. Vidare, som med de flesta optiska och elektriska enheter, det elektriska bandgapet i det halvledande SWCNT bör också påverka den termoelektriska prestandan.
Lyckligtvis, Svart brännskada, en senior vetenskapsman och chef för NREL:s spektroskopi och fotoscience -grupp, har utvecklat en expertis för att skilja halvledande nanorör från metalliska och hans metoder var kritiska för forskningen, Sa Ferguson.
"Vi har en klar fördel här att vi faktiskt kan använda det för att undersöka nanorörens grundläggande egenskaper, " han sa.
För att generera mycket berikade halvledande prover, forskarna extraherade nanorör från polydispers sot med polyfluorenbaserade polymerer. De halvledande SWCNT -preparaten bereddes på ett glasunderlag för att skapa en film, som sedan dränktes i en lösning av oxidationsmedel, trietyloxoniumhexaklorantimonat (OA), en process som kallas "dopning". Doping ökar densiteten hos laddningsbärare, som flödar genom filmen för att leda elektricitet. Forskarna fann att proverna som presterade bäst utsattes för en högre koncentration av OA, men inte på de högsta dopningsnivåerna. De upptäckte också en optimal diameter för ett kolnanorör för att uppnå bästa termoelektriska prestanda.
När det gäller termoelektriska material, det finns en avvägning mellan termokraft (spänningen som uppnås när ett material utsätts för en temperaturgradient) och elektrisk konduktivitet eftersom termokraften minskar med ökande konduktivitet. Forskarna upptäckte, dock, att med kolnanorör kan du behålla stora värmekraftar även vid mycket höga elektriska konduktiviteter. Vidare, forskarna fann att deras dopningsstrategi, samtidigt som den elektriska konduktiviteten dramatiskt ökar, minskade faktiskt värmeledningsförmågan. Detta oväntade resultat är en annan fördel med kolnanorör för termoelektrisk kraftproduktion, eftersom de bästa termoelektriska materialen måste ha hög elektrisk konduktivitet och värmeeffekt, med bibehållen låg värmeledningsförmåga.
