Изображение:
Маленькие методы
(2024). DOI: 10.1002/smtd.202301387
В соответствии с глобальными усилиями по обеспечению устойчивого развития, развитие технологий сбора энергии стало главным приоритетом исследований. Хотя возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, в последнее время оказались в центре внимания, отходящее тепло также остается в значительной степени неиспользованным источником энергии. Используя термоэлектрические материалы, можно собирать и преобразовывать промышленное тепло в электрическую энергию, что может помочь повысить эффективность промышленных процессов.
К сожалению, этот подход менее прост для «низкопотенциального» отходящего тепла (отходящее тепло, достигающее температуры ниже 200°C). Основная проблема заключается в том, что термоэлектрические материалы, доступные в этом диапазоне температур, весьма ограничены. Большинство термоэлектрических неорганических материалов либо токсичны, либо непомерно дороги в производстве, либо слишком жестки для применений, требующих гибкости (например, носимой электроники).
На этом фоне исследовательская группа, в которую входит доцент-исследователь Хироо Судзуки из Университета Окаяма, Япония, изучает применение нитей из углеродных нанотрубок (УНТ) в термоэлектрическом преобразовании.
В исследовании, результаты которого были опубликовано 12 марта 2024 года в г. Маленькие методы, они рассмотрели главное препятствие в этой конкретной области: отсутствие высокоэффективных нитей УНТ n-типа (нити УНТ с избытком электронов) для низкопотенциальных отходящих тепла, в отличие от нитей УНТ p-типа (нити с избытком электронов). положительных носителей заряда). Соавторами этой статьи являются Дзюн Каметака, Такеши Нисикава и Ясухико Хаяси — все из Университета Окаямы.
«Построенные из УНТ, нити УНТ хорошо подходят для практического применения, поскольку структура, подобная нити, позволяет изготавливать гибкие термоэлектрические устройства, такие как модули на тканевой основе», — объясняет доктор Сузуки.
«Хотя в недавних отчетах были продемонстрированы нити УНТ p-типа с замечательным коэффициентом термоэлектрической мощности, отсутствие аналогичных нитей УНТ n-типа накладывает ограничения на конфигурации устройств, включающие модули π-типа, которые требуют УНТ как p-, так и n-типа для достижения высокая эффективность.”
Чтобы решить эту проблему, исследовательская группа попыталась разработать новый метод легирования (добавления примесей) для эффективного производства нитей из УНТ n-типа. В качестве перспективной легирующей присадки они выбрали 4-(1,3-диметил-2,3-дигидро-1Н-бензимидазол-2-ил)фенил)диметиламин (N-ДМБИ) из-за его высокой стабильности на воздухе, что важно в большинстве практическое применение.
Сначала исследователи пряли пряжу из УНТ, используя технику сухого прядения. Затем эти нити подверглись «процессу джоулевого отжига», при котором материал подвергается воздействию электрического тока до тех пор, пока он не достигнет точно контролируемой высокой температуры.
Логика, лежащая в основе этого этапа обработки, заключается в том, что переходное тепло увеличивает кристалличность УНТ, тем самым снижая их теплопроводность. В свою очередь, это улучшает их термоэлектрические характеристики. Кроме того, джоулевый отжиг значительно улучшает механические свойства пряжи.
Затем команда попыталась разработать оптимальный протокол легирования N-DMBI для нитей из УНТ. «Оптимизация процесса легирования включала тщательный выбор подходящего растворителя. Мы оценили десять различных вариантов, включая неполярные растворители, полярные апротонные растворители и полярные протонные растворители», — комментирует доктор Сузуки. «В конечном итоге мы определили о-дихлорбензол как наиболее подходящий растворитель для легирования N-ДМБИ при низких температурах на основе анализа результирующего коэффициента Зеебека нитей УНТ».
После обширных экспериментов команда сообщила, что отожженные нити из легированных n-УНТ достигли удивительно высоких коэффициентов термоэлектрической мощности в диапазоне температур от 30 до 200 ° C, а также высокого показателя качества (числовое выражение, отражающее производительность или эффективность материал). Далее они протестировали этот материал n-типа в прототипе термоэлектрического генератора π-типа, который мог производить электричество даже при температуре всего 55°C и разнице температур в 20°C.
«Достижение выработки электроэнергии при низких температурах с небольшой разницей температур имеет важное значение для разработки термоэлектрических модулей, которые могут использовать различные источники тепла, такие как отходящее тепло промышленных предприятий, рассеивание тепла от транспортных средств и даже тепло тела», — отмечает доктор Сузуки. .
«Таким образом, наши исследования могут помочь решить энергетические проблемы, с которыми сталкивается общество, способствуя энергосбережению за счет эффективного использования энергии, которая в противном случае теряется впустую. Кроме того, термоэлектрические генераторы могут использоваться в качестве локального источника энергии для управления устройствами Интернета вещей, такими как гибкие датчики здоровья».
В целом, выводы, полученные в результате этого исследования, могут привести к разработке более совершенных органических термоэлектрических материалов, открывая путь к более эффективному сбору энергии из отходящего тепла.
Предоставлено Университетом Окаямы