Med tillväxten av Internet of Things anses hållbara lösningar för att driva trådlösa sensorer och enheter vara viktiga. Termoelektriska generatorer, till exempel, som har förmågan att omvandla spillvärme till el, kan erbjuda en hållbar lösning. Forskare runt om i världen har arbetat med sådana lösningar.
Ett forskarlag, ledd av Masakazu Nakamura från Nara Institute of Science and Technology (NAIST), Japan har också arbetat med flexibla bärbara termoelektriska generatorer som producerar elektricitet från kroppsvärme genom att sy in nanomaterial som kallas kolnanorör (CNT) i tyg.
Effektiva termoelektriska (TE) material kännetecknas av hög elektrisk konduktivitet som möjliggör hög elektrisk ström och en stor Seebeck-koefficient som genererar spänning genom temperaturskillnad. CNT uppfyller de flesta av dessa krav. Deras flexibilitet och höga mekaniska styrka gör dem också lovande för olika TE-applikationer. Den höga värmeledningsförmågan hos CNT begränsar dock deras TE-prestanda.
För att sänka deras värmeledningsförmåga dispergeras CNT i en lösning där de kan kombineras med andra material. Denna dispersion spins sedan till CNT-garn med en våtspinningsprocess. Konventionella spridningsmetoder trasslar dock ofta ihop nanometertjocka CNT-filament, vilket sänker deras elektriska ledningsförmåga och termoelektriska prestanda.
Nu däremot i en studie publicerad i ACS Applied Nano Materials , Nakamura, tillsammans med en Ph.D. student Anh N. Nguyen och andra medlemmar också från NAIST, introducerar en ny metod för att sprida CNT. Genom att använda glycerol som dispergeringsmedel och polyoxietylen(50)-stearyleter som ytaktivt ämne (ett ämne som används för att förbättra spridnings- och vätegenskaperna hos en vätska), uppnådde forskarna ett CNT-garn med inriktade CNT-buntar.
"Vi introducerar en billig, snabb och miljövänlig metod för utveckling av flexibla och bärbara termoelektriska enheter av tygtyp", säger Nakamura.
Glycerol är mycket viskös, vilket gör det till ett utmärkt medium för jämn dispergering av CNT, medan det ytaktiva medlet förhindrar CNT från att agglomerera i dispersionen. De ytaktiva ämnena med oxietylengrupper hindrar också värmeöverföringen genom att komma in mellan CNT-buntarna.
Koncentrationen av ytaktivt ämne är avgörande, eftersom det påverkar både den termiska och elektriska ledningsförmågan hos CNT-dispersionen. Efter att ha testat CNT-egenskaper vid olika koncentrationer av ytaktiva ämnen (3 %, 4 % och 5 %), fann forskarna att en koncentration av 3 % ytaktivt ämne, i kombination med en lösning innehållande glycerol och CNT, gav de bästa resultaten. Processen, som bara tog tre timmar att slutföra och använde miljövänliga kemikalier, producerade CNT-garn med högriktade CNT-buntar med åtta nm diameter med ytaktivt ämne mellan dem.
Justering av CNT:erna ökar vanligtvis både den elektriska och termiska konduktiviteten. Men genom att lägga ytaktiva molekyler mellan CNT-buntar kunde forskarna undertrycka värmetransport. CNT-garnerna hade en effektfaktor på 242 μW m −1 K −2 (som återspeglar prestanda) tre gånger högre än för CNT-garn som tidigare erhållits från metoder som använder joniska vätskor som dispergeringsmedel.
"Nyckeln till hög prestanda är att reda ut intrasslingen av det råa CNT-materialet och öka graden av CNT-orientering när det snurras från dispersionen", förklarar Nakamura.
Det föreslagna nya tillvägagångssättet lovar därför att förbättra den termoelektriska prestandan hos CNT-material från garn till filmer och bulkstrukturer.
Mer information: Anh N. Nguyen et al, Carbon Nanotube Yarns skräddarsydda med dispergeringsmedel och ytaktiva ämnen för flexibla och bärbara termoelektriska generatorer, ACS Applied Nano Materials (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c00497
Tillhandahålls av Nara Institute of Science and Technology
