I takt med att Internet of Things växer blir det allt viktigare med hållbara lösningar för att driva trådlösa sensorer och enheter. Termoelektriska generatorer, till exempel, som har förmågan att omvandla spillvärme till elektricitet, kan erbjuda en hållbar lösning. Forskare runt om i världen har arbetat med sådana lösningar.
Ett forskarlag under ledning av Masakazu Nakamura från Nara Institute of Science and Technology (NAIST) i Japan har också arbetat med flexibla, bärbara termoelektriska generatorer som producerar elektricitet från kroppsvärme genom att sy in nanomaterial som kallas kolnanorör (CNT) i tyg.
Effektiva termoelektriska (TE) material kännetecknas av hög elektrisk ledningsförmåga som möjliggör hög elektrisk ström och en stor Seebeck-koefficient som genererar spänning genom temperaturskillnad. CNT uppfyller de flesta av dessa krav. Deras flexibilitet och höga mekaniska hållfasthet gör dem också lovande för olika TE-tillämpningar. Den höga värmeledningsförmågan hos CNT begränsar dock deras TE-prestanda.
För att sänka värmeledningsförmågan dispergeras CNT i en lösning där de kan kombineras med andra material. Denna dispersion spinns sedan till CNT-garn med hjälp av en våtspinningsprocess. Konventionella dispergeringsmetoder trasslar dock ofta in nanometertjocka CNT-filament, vilket sänker deras elektriska ledningsförmåga och termoelektriska prestanda.
I en studie som publicerats i ACS Applied Nano Materials presenterar Nakamura, tillsammans med doktoranden Anh N. Nguyen och andra medlemmar från NAIST, en ny metod för att dispergera CNT. Genom att använda glycerol som dispergeringsmedel och polyoxietylen(50)stearyleter som ytaktivt ämne (ett ämne som används för att förbättra en vätskas spridnings- och vätningsegenskaper) lyckades forskarna skapa ett CNT-garn med CNT-buntar i linje med varandra.
”Vi introducerar en billig, snabb och miljövänlig metod för utveckling av flexibla och bärbara termoelektriska enheter av tygtyp”, säger Nakamura.
Topografiska bilder av ytaktiva molekyler (markerade med röda rektanglar) på CNT-buntar observerade med frekvensmodulerad atomkraftmikroskopi (FM-AFM). Istället för våtspinning, där dispersionen injiceras i metanol, spinnbelades CNT med utspädd dispersion på ett hydrofilt SiO2/Si-substrat och sköljdes med metanol. Kredit: Masakazu Nakamura
Glycerol är mycket visköst, vilket gör det till ett utmärkt medium för jämn spridning av CNT, medan det ytaktiva ämnet förhindrar att CNT agglomereras i dispersionen. Tensiderna med oxietylengrupper hindrar också värmeöverföringen genom att de hamnar mellan CNT-buntarna.
Koncentrationen av ytaktiva ämnen är avgörande, eftersom den påverkar både den termiska och elektriska ledningsförmågan hos CNT-dispersionen. Efter att ha testat CNT-egenskaper vid olika ytaktiva koncentrationer (3%, 4% och 5%) fann forskarna att en ytaktiv koncentration på 3%, i kombination med en lösning som innehöll glycerol och CNT, gav de bästa resultaten. Processen, som bara tog tre timmar att slutföra och använde miljövänliga kemikalier, producerade CNT-garn med högt inriktade CNT-buntar med en diameter på åtta nm med ytaktivt medel mellan dem.
När CNT:erna riktas in ökar normalt både den elektriska och termiska ledningsförmågan. Genom att placera surfaktantmolekyler mellan CNT-buntarna kunde forskarna dock undertrycka värmetransporten. CNT-garnen hade en effektfaktor på 242 μW m-1 K-2 (reflekterande prestanda) som var tre gånger högre än för CNT-garn som tidigare erhållits med metoder som använder joniska vätskor som dispergeringsmedel.
”Nyckeln till hög prestanda är att lösa upp trasslet i det råa CNT-materialet och öka graden av CNT-orientering när det spinns från dispersionen”, förklarar Nakamura.
Den föreslagna nya metoden är därför lovande för att förbättra den termoelektriska prestandan hos CNT-material, från garn till filmer och bulkstrukturer.
Ytterligare information: Anh N. Nguyen et al, Carbon Nanotube Yarns Tailored Using Dispersants and Surfactants for Flexible and Wearable Thermoelectric Generators, ACS Applied Nano Materials (2024). DOI: 10.1021/acsanm.4c00497
