I linje med globala ansträngningar för hållbarhet har utvecklingen av teknik för energiskörd blivit en högsta forskningsprioritet. Även om förnybara energikällor som vind- och solkraft nyligen har tagit rampljuset, står spillvärme också som en i stort sett outnyttjad energikälla. Med hjälp av termoelektriska material kan industriell spillvärme skördas och omvandlas till elektrisk energi, vilket kan bidra till att öka effektiviteten i industriella processer.

Tyvärr är detta tillvägagångssätt mindre okomplicerat för "lågvärdig" spillvärme (spillvärme som når temperaturer under 200°C). Huvudproblemet är att de termoelektriska materialen som finns tillgängliga vid detta temperaturområde är ganska begränsade. De flesta termoelektriska oorganiska material är antingen giftiga, oöverkomligt dyra att tillverka eller för stela för tillämpningar som kräver flexibilitet (som bärbar elektronik).

Mot denna bakgrund har ett forskarlag inklusive forskardocent Hiroo Suzuki från Okayama University, Japan, studerat användningen av kolnanorörsgarn (CNT) vid termoelektrisk omvandling.

I en studie, vars resultat publicerades den 12 mars 2024, i Small Methods , tog de upp en stor vägspärr inom detta specifika område:bristen på högpresterande n-typ CNT-garn (CNT-garn med ett överskott av elektroner) för låggradig spillvärme, i motsats till p-typ CNT-garn (garn med överskott av elektroner) positiva laddningsbärare). Den här artikeln var medförfattare av Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa och Yasuhiko Hayashi, alla från Okayama University.

"CNT-garn är konstruerade av CNT och är väl lämpade för praktiska tillämpningar eftersom den garnliknande strukturen möjliggör tillverkning av flexibla termoelektriska enheter som tygbaserade moduler", förklarar Dr. Suzuki.

"Även om de senaste rapporterna har visat p-typ CNT-garn med en anmärkningsvärd termoelektrisk effektfaktor, innebär frånvaron av liknande n-typ CNT-garn begränsningar för enhetskonfigurationer som involverar π-typ moduler, som kräver både p- och n-typ CNTs för att uppnå hög effektivitet."

För att ta itu med problemet försökte forskargruppen etablera en ny dopningsmetod (föroreningstillsats) för att effektivt producera n-typ CNT-garn. De valde 4-(1,3-dimetyl-2,3-dihydro-1H-bensimidazol-2-yl)fenyl)dimetylamin (N-DMBI) som ett lovande dopningsmedel på grund av dess höga stabilitet i luft, vilket är viktigt i de flesta praktiska tillämpningar.

Först spann forskarna CNT-garn med en torrspinningsteknik. Dessa garn genomgick sedan en "Joule-glödgningsprocess", som utsätter materialet för en elektrisk ström tills det når en exakt kontrollerad hög temperatur.

Logiken bakom detta bearbetningssteg är att den transienta värmen ökar kristalliniteten hos CNT, vilket minskar deras värmeledningsförmåga. Detta förbättrar i sin tur deras termoelektriska prestanda. Dessutom förbättrar Joule-glödgning avsevärt de mekaniska egenskaperna hos garnet.

Därefter försökte teamet etablera ett optimalt N-DMBI-dopningsprotokoll för CNT-garnen. "Optimeringen av dopningsprocessen innebar noggrant val av ett lämpligt lösningsmedel. Vi utvärderade tio olika alternativ, inklusive opolära lösningsmedel, polära aprotiska lösningsmedel och polära protiska lösningsmedel", kommenterar Dr Suzuki. "Vi identifierade slutligen o-diklorbensen som det mest lämpliga lösningsmedlet för N-DMBI-dopning vid låga temperaturer, baserat på en analys av den resulterande Seebeck-koefficienten för CNT-garnerna."

Efter omfattande experiment rapporterade teamet att de glödgade, n-dopade CNT-garnen uppnådde en anmärkningsvärt hög termoelektrisk effektfaktorer inom temperaturer från 30 till 200°C, tillsammans med en hög meritvärde (ett numeriskt uttryck som representerar prestandan eller effektiviteten hos ett material). De testade vidare detta material av n-typ i en prototyp av termoelektrisk generator av π-typ, som kunde producera elektricitet även vid endast 55°C och en temperaturskillnad på 20°C.

"Att uppnå kraftgenerering vid låga temperaturer med små temperaturskillnader är betydelsefullt för utvecklingen av termoelektriska moduler som kan utnyttja olika termiska källor, såsom spillvärme från industrianläggningar, termisk avledning från fordon och till och med kroppsvärme", säger Dr Suzuki .

"Vår forskning kan därmed bidra till att ta itu med energiproblem som samhället står inför, och bidra till energibesparing genom effektiv användning av annars bortkastad energi. Dessutom kan termoelektriska generatorer användas som en lokal energikälla för att driva IoT-enheter, till exempel flexibla hälsosensorer."

Sammantaget kan de insikter som erhållits genom denna studie leda till utvecklingen av bättre organiska termoelektriska material, vilket banar väg för effektivare energiutvinning från spillvärme.

Mer information: Hiroo Suzuki et al, N-DMBI-dopning av kolnanorörsgarn för att uppnå hög n-typ termoelektrisk effektfaktor och meritvärde, Små metoder (2024). DOI:10.1002/smtd.202301387

Journalinformation: Små metoder

Tillhandahålls av Okayama University