Un film sottile di nanotubi di carbonio finemente sintonizzato ha il potenziale per agire come un generatore di energia termoelettrica che cattura e utilizza il calore di scarto, secondo i ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) del Dipartimento dell'Energia.
La ricerca potrebbe aiutare a guidare la produzione di dispositivi termoelettrici basati su film di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) o compositi contenenti questi nanotubi. Poiché più della metà dell'energia consumata nel mondo viene respinta principalmente come calore di scarto, l'idea della generazione di energia termoelettrica sta emergendo come una parte importante delle energie rinnovabili e dei portafogli di efficienza energetica.
"Non ci sono stati molti esempi in cui le persone hanno davvero esaminato le proprietà termoelettriche intrinseche dei nanotubi di carbonio ed è quello che riteniamo faccia questo documento, "ha detto Andrew Ferguson, ricercatore presso il Chemical and Materials Science Center del NREL e co-autore dell'articolo insieme a Jeffrey Blackburn.
La ricerca, "Reti di nanotubi di carbonio semiconduttori su misura con proprietà termoelettriche migliorate, " appare sul giornale Energia della natura , ed è una collaborazione tra NREL, Il gruppo del professor Yong-Hyun Kim presso il Korea Advanced Institute of Science and Technology, e il gruppo del professor Barry Zink all'Università di Denver. Gli altri autori di NREL sono Azure Avery (ora assistente professore alla Metropolitan State University di Denver), Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mister, e Sarah Guillot.
I semiconduttori inorganici nanostrutturati si sono dimostrati promettenti per migliorare le prestazioni dei dispositivi termoelettrici. I materiali inorganici possono incontrare problemi quando il semiconduttore deve essere leggero, flessibile, o di forma irregolare perché spesso pesanti e privi della necessaria flessibilità. Nanotubi di carbonio, che sono organici, sono più leggere e flessibili.
Quanto è utile un particolare SWCNT per i termoelettrici, però, dipende dal fatto che il nanotubo sia metallico o un semiconduttore, entrambi prodotti simultaneamente nelle sintesi SWCNT. Un nanotubo metallico danneggerebbe dispositivi come un generatore termoelettrico, mentre un nanotubo semiconduttore migliora effettivamente le prestazioni. Per di più, come con la maggior parte dei dispositivi ottici ed elettrici, anche il band gap elettrico del SWCNT semiconduttore dovrebbe influenzare le prestazioni termoelettriche.
Fortunatamente, Blackburn, uno scienziato senior e manager del gruppo di spettroscopia e fotoscienza del NREL, ha sviluppato una competenza nella separazione dei nanotubi semiconduttori da quelli metallici e i suoi metodi sono stati fondamentali per la ricerca, ha detto Ferguson.
"Siamo in netto vantaggio qui che possiamo effettivamente usarlo per sondare le proprietà fondamentali dei nanotubi, " Egli ha detto.
Per generare campioni di semiconduttori altamente arricchiti, i ricercatori hanno estratto nanotubi dalla fuliggine polidispersa utilizzando polimeri a base di polifluorene. Gli SWCNT semiconduttori sono stati preparati su un substrato di vetro per creare un film, che è stato poi immerso in una soluzione di ossidante, trietilossonio esacloroantimonato (OA), un processo noto come "doping". Il doping aumenta la densità dei portatori di carica, che attraversano il film per condurre l'elettricità. I ricercatori hanno scoperto che i campioni che si sono comportati meglio sono stati esposti a una maggiore concentrazione di OA, ma non ai massimi livelli di doping. Hanno anche scoperto un diametro ottimale per un nanotubo di carbonio per ottenere le migliori prestazioni termoelettriche.
Quando si tratta di materiali termoelettrici, esiste un compromesso tra potenza termica (la tensione ottenuta sottoponendo un materiale a un gradiente di temperatura) e conduttività elettrica perché la potenza termica diminuisce all'aumentare della conduttività. I ricercatori hanno scoperto, però, che con i nanotubi di carbonio si possono mantenere grandi potenze termiche anche a conducibilità elettriche molto elevate. Per di più, i ricercatori hanno scoperto che la loro strategia antidoping, aumentando drasticamente la conducibilità elettrica, effettivamente diminuito la conducibilità termica. Questo risultato inaspettato è un altro vantaggio dei nanotubi di carbonio per la generazione di energia termoelettrica, poiché i migliori materiali termoelettrici devono avere un'elevata conducibilità elettrica e potenza termica, mantenendo una bassa conduttività termica.
