Sfortunatamente, questo approccio è meno semplice per il calore di scarto di "bassa qualità" (calore di scarto che raggiunge temperature inferiori a 200°C). Il problema principale è che i materiali termoelettrici disponibili a questo intervallo di temperature sono piuttosto limitati. La maggior parte dei materiali inorganici termoelettrici sono tossici, proibitivamente costosi da produrre o troppo rigidi per applicazioni che richiedono flessibilità (come l'elettronica indossabile).

In questo contesto, un gruppo di ricerca che comprende il professore associato di ricerca Hiroo Suzuki dell'Università di Okayama, in Giappone, ha studiato l'applicazione dei filati di nanotubi di carbonio (CNT) nella conversione termoelettrica.

In uno studio, i cui risultati sono stati pubblicati il ​​12 marzo 2024, in Small Methods , hanno affrontato un grosso ostacolo in questo particolare settore:la mancanza di filati CNT di tipo n ad alte prestazioni (filati CNT con un eccesso di elettroni) per il calore di scarto di bassa qualità, al contrario dei filati CNT di tipo p (filati con eccesso di elettroni) di portatori di carica positivi). Questo articolo è stato scritto in collaborazione con Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa e Yasuhiko Hayashi, tutti dell'Università di Okayama.

"Costruiti a partire da CNT, i filati CNT sono adatti per applicazioni pratiche poiché la struttura simile a un filato consente la fabbricazione di dispositivi termoelettrici flessibili come moduli basati su tessuto", spiega il dott. Suzuki.

"Sebbene recenti rapporti abbiano mostrato filati CNT di tipo p con un notevole fattore di potenza termoelettrica, l'assenza di filati CNT di tipo n simili impone limitazioni per le configurazioni dei dispositivi che coinvolgono moduli di tipo π, che richiedono CNT sia di tipo p che di tipo n per ottenere alta efficienza."

Per affrontare il problema, il gruppo di ricerca ha cercato di stabilire un nuovo metodo di drogaggio (aggiunta di impurità) per produrre in modo efficiente filati CNT di tipo n. Hanno selezionato la 4-(1,3-dimetil-2,3-diidro-1H-benzimidazolo-2-il)fenil)dimetilammina (N-DMBI) come drogante promettente grazie alla sua elevata stabilità nell'aria, che è essenziale nella maggior parte dei casi. applicazioni pratiche.

Innanzitutto, i ricercatori hanno filato filati CNT utilizzando una tecnica di filatura a secco. Questi filati sono stati poi sottoposti a un "processo di ricottura Joule", che sottopone il materiale a una corrente elettrica fino a raggiungere un'elevata temperatura controllata con precisione.

La logica alla base di questa fase di lavorazione è che il calore transitorio aumenta la cristallinità dei CNT, riducendone così la conduttività termica. A sua volta, ciò migliora le loro prestazioni termoelettriche. Inoltre la ricottura Joule migliora notevolmente le proprietà meccaniche del filato.

Successivamente, il team ha cercato di stabilire un protocollo di doping N-DMBI ottimale per i filati CNT. "L'ottimizzazione del processo di drogaggio ha comportato una selezione rigorosa di un solvente adatto. Abbiamo valutato dieci diverse opzioni, inclusi solventi non polari, solventi aprotici polari e solventi protici polari", commenta il dott. Suzuki. "Alla fine abbiamo identificato l'o-diclorobenzene come il solvente più adatto per il drogaggio con N-DMBI a basse temperature, sulla base di un'analisi del coefficiente Seebeck risultante dei filati CNT."

Dopo un'ampia sperimentazione, il team ha riferito che i filati CNT ricotti e drogati con n hanno raggiunto un fattore di potenza termoelettrica notevolmente elevato a temperature comprese tra 30 e 200°C, insieme a un'elevata cifra di merito (un'espressione numerica che rappresenta la prestazione o l'efficienza di un materiale). Hanno ulteriormente testato questo materiale di tipo n in un prototipo di generatore termoelettrico di tipo π, che potrebbe produrre elettricità anche a soli 55°C e una differenza di temperatura di 20°C.

"Raggiungere la generazione di energia a basse temperature con piccole differenze di temperatura è significativo per lo sviluppo di moduli termoelettrici che possono attingere a varie fonti termiche, come il calore di scarto degli impianti industriali, la dissipazione termica dei veicoli e persino il calore corporeo", osserva il Dr. Suzuki .

“La nostra ricerca può quindi aiutare ad affrontare i problemi energetici affrontati dalla società, contribuendo al risparmio energetico attraverso l’uso efficiente dell’energia altrimenti sprecata. Inoltre, i generatori termoelettrici possono essere utilizzati come fonte di energia locale per azionare dispositivi IoT, come i sensori sanitari flessibili”.

Nel complesso, le informazioni ottenute attraverso questo studio potrebbero portare allo sviluppo di materiali termoelettrici organici migliori, aprendo la strada a una raccolta più efficiente di energia dal calore di scarto.