Een fijn afgestemde dunne film van koolstofnanobuisjes heeft het potentieel om te fungeren als een thermo-elektrische stroomgenerator die afvalwarmte opvangt en gebruikt, volgens onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Energy Department.

Het onderzoek kan helpen bij de vervaardiging van thermo-elektrische apparaten op basis van enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) films of composieten die deze nanobuisjes bevatten. Omdat meer dan de helft van de wereldwijd verbruikte energie primair wordt afgestoten als restwarmte, het idee van de opwekking van thermo-elektrische energie is in opkomst als een belangrijk onderdeel van de portfolio's voor hernieuwbare energie en energie-efficiëntie.

"Er zijn niet veel voorbeelden geweest waarin mensen echt hebben gekeken naar de intrinsieke thermo-elektrische eigenschappen van koolstofnanobuisjes en dat is wat we denken dat dit artikel doet, " zei Andrew Ferguson, een onderzoekswetenschapper in NREL's Chemical and Materials Science Center en co-hoofdauteur van het artikel met Jeffrey Blackburn.

Het onderzoek, "Op maat gemaakte halfgeleidende koolstofnanobuisjesnetwerken met verbeterde thermo-elektrische eigenschappen, " verschijnt in het journaal Natuur Energie , en is een samenwerking tussen NREL, Professor Yong-Hyun Kim's groep aan het Korea Advanced Institute of Science and Technology, en de groep van professor Barry Zink aan de Universiteit van Denver. De andere auteurs van NREL zijn Azure Avery (nu een assistent-professor aan de Metropolitan State University of Denver), Ben Zhou, Elisa Molenaar, Rachelle Ihly, Kevin Mistry, en Sarah Guillot.

Nanogestructureerde anorganische halfgeleiders zijn veelbelovend gebleken voor het verbeteren van de prestaties van thermo-elektrische apparaten. Anorganische materialen kunnen in de problemen komen wanneer de halfgeleider lichtgewicht moet zijn, flexibel, of onregelmatig gevormd omdat ze vaak zwaar zijn en de vereiste flexibiliteit missen. Koolstof nanobuisjes, die biologisch zijn, zijn lichter en flexibeler.

Hoe nuttig een bepaalde SWCNT is voor thermo-elektriciteit, echter, hangt ervan af of de nanobuis van metaal of een halfgeleider is, die beide gelijktijdig worden geproduceerd in SWCNT-syntheses. Een metalen nanobuis zou schade toebrengen aan apparaten zoals een thermo-elektrische generator, terwijl een halfgeleider nanobuis de prestaties juist verbetert. Verder, zoals bij de meeste optische en elektrische apparaten, de elektrische bandafstand van de halfgeleidende SWCNT zou ook de thermo-elektrische prestaties moeten beïnvloeden.

Gelukkig, Blackburn, een senior wetenschapper en manager van NREL's Spectroscopy and Photoscience-groep, heeft een expertise ontwikkeld in het scheiden van halfgeleidende nanobuizen van metalen en zijn methoden waren van cruciaal belang voor het onderzoek, zei Ferguson.

"We hebben hier een duidelijk voordeel dat we dat daadwerkelijk kunnen gebruiken om de fundamentele eigenschappen van de nanobuisjes te onderzoeken, " hij zei.

Om hoogverrijkte halfgeleidende monsters te genereren, de onderzoekers haalden nanobuisjes uit polydispers roet met behulp van op polyfluoreen gebaseerde polymeren. De halfgeleidende SWCNT's werden op een glassubstraat geprepareerd om een ​​film te creëren, die vervolgens werd gedrenkt in een oplossing van oxidatiemiddel, triethyloxoniumhexachloorantimonaat (OA), een proces dat bekend staat als 'doping'. Doping verhoogt de dichtheid van ladingsdragers, die door de film stromen om elektriciteit te geleiden. De onderzoekers ontdekten dat de monsters die het beste presteerden, werden blootgesteld aan een hogere concentratie OA, maar niet op de hoogste dopingniveaus. Ze ontdekten ook een optimale diameter voor een koolstofnanobuis om de beste thermo-elektrische prestaties te bereiken.

Als het gaat om thermo-elektrische materialen, er bestaat een wisselwerking tussen thermokracht (de spanning die wordt verkregen wanneer een materiaal wordt onderworpen aan een temperatuurgradiënt) en elektrische geleidbaarheid omdat thermokracht afneemt met toenemende geleidbaarheid. De onderzoekers ontdekten, echter, dat je met koolstofnanobuisjes grote thermokrachten kunt behouden, zelfs bij zeer hoge elektrische geleidbaarheid. Verder, vonden de onderzoekers dat hun dopingstrategie, terwijl de elektrische geleidbaarheid drastisch wordt verhoogd, daadwerkelijk verminderde de thermische geleidbaarheid. Dit onverwachte resultaat is een ander voordeel van koolstofnanobuizen voor thermo-elektrische energieopwekking, aangezien de beste thermo-elektrische materialen een hoge elektrische geleidbaarheid en thermokracht moeten hebben, met behoud van een lage thermische geleidbaarheid.