Сплетенные волокна из нанотрубок, способные преобразовывать тепло в энергию

17 августа 2021 года Обзор Алекса Смита

Невидимые крохотные углеродные нанотрубки, вытянутые в виде волокон и вшитые в ткани, превращаются в термоэлектрический генератор, который может преобразовывать тепло от солнца или других источников в энергию.

Углеродные нанотрубки, сплетенные в нитевидные волокна и вшитые в ткани, становятся термоэлектрическим генератором, который может превращать тепло от солнца или других источников в энергию. Изображение предоставлено Джеффом Фитлоу.

Физик Дзюнъитиро Коно из лаборатории Университета Райса руководил группой ученых из Токийского столичного университета (TMU) и Углеродного концентратора в Райсе для разработки специализированных нанотрубок и проверки их потенциала для крупномасштабных приложений.

Небольшие эксперименты исследователей привели к созданию гибкой хлопчатобумажной ткани из импровизированного волокна, которая преобразовывала тепло в энергию, необходимую для питания светодиода. Дальнейшие улучшения позволят материалам формировать строительные блоки для волоконной и текстильной электроники и сбора энергии. Те же волокна из нанотрубок могут найти применение в качестве радиаторов для активного охлаждения чувствительных устройств с большей эффективностью.

Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications .

Эффект выглядел простым: если одна сторона термоэлектрического материала более горячая по сравнению с другой, она генерирует энергию. Тепло может исходить от Солнца или других устройств, таких как электрические плиты, которые используются в эксперименте с тканью. С другой стороны, добавление энергии может стимулировать охлаждение материала с более горячей стороны.

До сих пор макропластические сборки наноматериалов не демонстрировали требуемый «гигантский коэффициент мощности» около 14 мВт / мК ². Это величина, определенная исследователями Райса для волокон из углеродных нанотрубок.

Коэффициент мощности показывает, какую удельную мощность можно получить из материала при определенной разнице температур и температурном градиенте .
Нацуми Комацу, ведущий автор исследования и аспирант, Университет Райса

Согласно Komatsu, коэффициент мощности материала – это совокупный эффект, достигаемый за счет его электропроводности и коэффициента Зеебека, который является мерой его способности преобразовывать тепловые разности в электричество.

« Сверхвысокая электрическая проводимость этого волокна была одним из ключевых атрибутов », – добавил Komatsu. Источник этой сверхмощи также связан с настройкой внутренней энергии Ферми нанотрубок, которая является характеристикой, определяющей электрохимический потенциал.

Ученые смогли регулировать энергию Ферми путем химического легирования нанотрубок, превращенных в волокна лабораторией Университета Райса, связанной с Маттео Паскуали, соавтором и инженером-химиком и биомолекулярным аппаратом, что позволило исследователям настроить электронную свойства волокон.

В то время как протестированные волокна были разрезаны на сантиметровые отрезки, Komatsu заявила, что нет никаких доказательств того, что устройства не могут использовать исключительные волокна нанотрубок из лаборатории Паскуали, которые намотаны на катушки постоянной длины.

Независимо от того, где вы их измеряете, они обладают такой же очень высокой электропроводностью. Кусок, который я измерил, был маленьким только потому, что моя установка не способна измерить 50 м волокна .
Нацуми Комацу, ведущий автор исследования и аспирант, Университет Райса

Паскуали является директором Carbon Hub, который поощряет расширение использования водорода и углеродных материалов таким образом, который также в корне меняет глобальные методы использования ископаемых углеводородов.

Волокна из углеродных нанотрубок находятся на устойчивом пути роста и доказывают свои преимущества во все большем количестве применений. Вместо того, чтобы тратить углерод впустую, сжигая его в двуокись углерода мы можем исправить его как полезные материалы, которые принесут дополнительные экологические преимущества при производстве и транспортировке электроэнергии .
Маттео Паскуали, соавтор исследования, инженер-химик и биомолекулярник, Университет Райса

Еще неизвестно, приведет ли новое исследование к солнечной батарее, которую люди смогут бросать в стиральную машину, но Коно согласился, что эта технология имеет огромные и разнообразные возможности.

« Нанотрубки существуют уже 30 лет и с научной точки зрения известно очень много. Но для создания реальных устройств нам нужны макроскопически упорядоченные или кристаллические сборки. «Это те типы образцов нанотрубок, которые группа Маттео и моя группа могут изготовить и есть много-много возможностей для применения », – заявил Паскуали

Соавторами исследования являются аспиранты Райс Оливер Дьюи, Лорен Тейлор и Митчелл Траффорд и Джефф Вемейер, доцент кафедры машиностроения; и Йота Ичиносе, профессор Йохей Йомогида, и профессор Казухиро Янаги из Токийского столичного университета

Коно – профессор инженерных наук Карла Ф. Хассельмана и профессор электротехники и вычислительной техники, физики и астрономии, материаловедения и наноинженерии. Паскуали – это А.Дж. Хартсук, профессор химической и биомолекулярной инженерии, а также профессор химии, материаловедения и наноинженерии.

Это исследование финансировалось программой Министерства энергетики по фундаментальным энергетическим наукам, Национальным научным фондом, Фондом Роберта А. Уэлча, Японским обществом содействия науке, ВВС США и Министерством обороны. .

Тканые нанотрубки создают термоэлектрический генератор