Um filme fino de nanotubo de carbono sintonizado com precisão tem o potencial de atuar como um gerador de energia termoelétrica que captura e usa o calor residual, de acordo com pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável do Departamento de Energia (NREL).
A pesquisa pode ajudar a orientar a fabricação de dispositivos termoelétricos baseados em filmes de nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) ou compostos contendo esses nanotubos. Porque mais da metade da energia consumida em todo o mundo é rejeitada principalmente como calor residual, a ideia de geração de energia termelétrica está emergindo como uma parte importante dos portfólios de energia renovável e eficiência energética.
"Não houve muitos exemplos em que as pessoas realmente tenham olhado para as propriedades termoelétricas intrínsecas dos nanotubos de carbono e é isso que achamos que este artigo faz, "disse Andrew Ferguson, um cientista pesquisador no Chemical and Materials Science Center do NREL e co-autor principal do artigo com Jeffrey Blackburn.
A pesquisa, "Redes de nanotubos de carbono semicondutoras sob medida com propriedades termoelétricas aprimoradas, "aparece no jornal Nature Energy , e é uma colaboração entre NREL, Grupo do professor Yong-Hyun Kim no Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia, e o grupo do professor Barry Zink na Universidade de Denver. Os outros autores do NREL são Azure Avery (agora professor assistente da Metropolitan State University of Denver), Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mistry, e Sarah Guillot.
Semicondutores inorgânicos nanoestruturados têm se mostrado promissores para melhorar o desempenho de dispositivos termoelétricos. Os materiais inorgânicos podem ter problemas quando o semicondutor precisa ser leve, flexível, ou de formato irregular porque costumam ser pesados e não têm a flexibilidade necessária. Nanotubos de carbono, que são orgânicos, são mais leves e mais flexíveis.
Quão útil é um determinado SWCNT para termelétricas, Contudo, depende se o nanotubo é metálico ou semicondutor, ambos são produzidos simultaneamente em sínteses SWCNT. Um nanotubo metálico danificaria dispositivos como um gerador termoelétrico, enquanto um nanotubo semicondutor realmente melhora o desempenho. Além disso, como acontece com a maioria dos dispositivos ópticos e elétricos, o gap elétrico do SWCNT semicondutor também deve afetar o desempenho termoelétrico.
Felizmente, Chama Negra, um cientista sênior e gerente do grupo Spectroscopy and Photoscience do NREL, desenvolveu uma especialização em separar nanotubos semicondutores de metálicos e seus métodos foram essenciais para a pesquisa, Ferguson disse.
"Temos uma vantagem distinta de que podemos realmente usar isso para sondar as propriedades fundamentais dos nanotubos, " ele disse.
Para gerar amostras semicondutoras altamente enriquecidas, os pesquisadores extraíram nanotubos de fuligem polidispersa usando polímeros à base de polifluoreno. Os SWCNTs semicondutores foram preparados em um substrato de vidro para criar um filme, que foi então embebido em uma solução de oxidante, hexacloroantimonato de trietiloxônio (OA), um processo conhecido como "doping". O doping aumenta a densidade dos portadores de carga, que fluem através do filme para conduzir eletricidade. Os pesquisadores descobriram que as amostras com melhor desempenho foram expostas a uma concentração mais elevada de OA, mas não nos níveis mais altos de doping. Eles também descobriram um diâmetro ideal para um nanotubo de carbono atingir o melhor desempenho termoelétrico.
Quando se trata de materiais termoelétricos, existe uma compensação entre a energia termelétrica (a voltagem obtida ao submeter um material a um gradiente de temperatura) e a condutividade elétrica porque a energia termelétrica diminui com o aumento da condutividade. Os pesquisadores descobriram, Contudo, que com os nanotubos de carbono você pode reter grandes termelétricas mesmo em condutividades elétricas muito altas. Além disso, os pesquisadores descobriram que sua estratégia de doping, enquanto aumenta drasticamente a condutividade elétrica, realmente diminuiu a condutividade térmica. Este resultado inesperado é outro benefício dos nanotubos de carbono para geração de energia termoelétrica, uma vez que os melhores materiais termoelétricos devem ter alta condutividade elétrica e energia termelétrica, enquanto mantém baixa condutividade térmica.
