Wetenschap
Nieuwe koolstofnanobuisgarens kunnen elektriciteit opwekken uit afvalwarmte
In lijn met de mondiale inspanningen op het gebied van duurzaamheid is de ontwikkeling van technologieën voor het oogsten van energie een topprioriteit voor onderzoek geworden. Hoewel hernieuwbare energiebronnen zoals wind- en zonne-energie onlangs in de schijnwerpers staan, is afvalwarmte ook een grotendeels onaangeboorde energiebron. Met behulp van thermo-elektrische materialen kan industriële afvalwarmte worden geoogst en omgezet in elektrische energie, wat de efficiëntie van industriële processen kan helpen verhogen.
Helaas is deze aanpak minder eenvoudig voor ‘laagwaardige’ restwarmte (afvalwarmte die temperaturen onder de 200°C bereikt). Het grootste probleem is dat de beschikbare thermo-elektrische materialen bij dit temperatuurbereik vrij beperkt zijn. De meeste thermo-elektrische anorganische materialen zijn giftig, onbetaalbaar om te produceren, of te rigide voor toepassingen die flexibiliteit vereisen (zoals draagbare elektronica).
Tegen deze achtergrond heeft een onderzoeksteam, waaronder onderzoeksassistent professor Hiroo Suzuki van de Universiteit van Okayama, Japan, de toepassing van koolstofnanobuisgarens (CNT) bij thermo-elektrische conversie bestudeerd.
In een onderzoek, waarvan de bevindingen op 12 maart 2024 zijn gepubliceerd in Small Methods hebben ze een belangrijk obstakel op dit specifieke gebied aangepakt:het gebrek aan hoogwaardige n-type CNT-garens (CNT-garens met een overschot aan elektronen) voor laagwaardige afvalwarmte, in tegenstelling tot p-type CNT-garens (garens met een overschot aan elektronen). van positieve ladingsdragers). Dit artikel is co-auteur van Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa en Yasuhiko Hayashi, allemaal van de Universiteit van Okayama.
"CNT-garens zijn gemaakt van CNT's en zijn zeer geschikt voor praktische toepassingen, omdat de garenachtige structuur de fabricage van flexibele thermo-elektrische apparaten mogelijk maakt, zoals op stof gebaseerde modules", legt Dr. Suzuki uit.
"Hoewel recente rapporten p-type CNT-garens hebben getoond met een opmerkelijke thermo-elektrische arbeidsfactor, legt de afwezigheid van vergelijkbare n-type CNT-garens beperkingen op voor apparaatconfiguraties met π-type modules, waarvoor zowel p- als n-type CNT's nodig zijn om te bereiken hoog rendement."
Om dit probleem aan te pakken, probeerde het onderzoeksteam een nieuwe dopingmethode (toevoeging van onzuiverheden) op te zetten om op efficiënte wijze n-type CNT-garens te produceren. Ze selecteerden 4-(1, 3-dimethyl-2, 3-dihydro-1H-benzimidazool-2-yl) fenyl) dimethylamine (N-DMBI) als veelbelovend doteermiddel vanwege de hoge stabiliteit in lucht, die essentieel is in de meeste gevallen. praktische toepassingen.
Eerst sponnen de onderzoekers CNT-garens met behulp van een droge spintechniek. Deze garens ondergingen vervolgens een 'Joule-gloeiproces', waarbij het materiaal wordt onderworpen aan een elektrische stroom totdat het een nauwkeurig gecontroleerde hoge temperatuur bereikt.
De logica die ten grondslag ligt aan deze verwerkingsstap is dat de voorbijgaande warmte de kristalliniteit van de CNT's verhoogt, waardoor hun thermische geleidbaarheid wordt verminderd. Dit verbetert op zijn beurt hun thermo-elektrische prestaties. Bovendien verbetert Joule-gloeien de mechanische eigenschappen van het garen aanzienlijk.
Vervolgens probeerde het team een optimaal N-DMBI-dopingprotocol voor de CNT-garens op te stellen. "De optimalisatie van het dopingproces omvatte een rigoureuze selectie van een geschikt oplosmiddel. We hebben tien verschillende opties geëvalueerd, waaronder niet-polaire oplosmiddelen, polaire aprotische oplosmiddelen en polaire protische oplosmiddelen", aldus Dr. Suzuki. "Uiteindelijk hebben we o-dichloorbenzeen geïdentificeerd als het meest geschikte oplosmiddel voor N-DMBI-dotering bij lage temperaturen, op basis van een analyse van de resulterende Seebeck-coëfficiënt van de CNT-garens."
Na uitgebreide experimenten rapporteerde het team dat de gegloeide, n-gedoteerde CNT-garens een opmerkelijk hoge thermo-elektrische vermogensfactor bereikten bij temperaturen variërend van 30 tot 200 °C, samen met een hoog cijfer van verdienste (een numerieke uitdrukking die de prestaties of efficiëntie van een materiaal). Ze testten dit n-type materiaal verder in een prototype van een π-type thermo-elektrische generator, die zelfs bij slechts 55°C en een temperatuurverschil van 20°C elektriciteit kon produceren.
"Het bereiken van stroomopwekking bij lage temperaturen met kleine temperatuurverschillen is belangrijk voor de ontwikkeling van thermo-elektrische modules die verschillende thermische bronnen kunnen aanboren, zoals afvalwarmte van industriële faciliteiten, thermische dissipatie van voertuigen en zelfs lichaamswarmte", merkt Dr. Suzuki op. .
"Ons onderzoek kan dus helpen bij het aanpakken van de energieproblemen waarmee de samenleving wordt geconfronteerd, en kan bijdragen aan energiebesparing door het efficiënte gebruik van anders verspilde energie. Bovendien kunnen thermo-elektrische generatoren worden gebruikt als lokale energiebron om IoT-apparaten aan te drijven, zoals flexibele gezondheidssensoren."
Over het geheel genomen zouden de inzichten verkregen door dit onderzoek kunnen leiden tot de ontwikkeling van betere organische thermo-elektrische materialen, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor een efficiëntere energiewinning uit afvalwarmte.