Novos fios de nanotubos de carbono podem gerar eletricidade a partir do calor residual
Crédito:Métodos Pequenos (2024). DOI:10.1002/smtd.202301387 Em linha com os esforços globais em prol da sustentabilidade, o desenvolvimento de tecnologias de captação de energia tornou-se uma das principais prioridades da investigação. Embora fontes de energia renováveis, como a energia eólica e a solar, tenham ganhado destaque recentemente, o calor residual também permanece como uma fonte de energia amplamente inexplorada. Utilizando materiais termoelétricos, o calor residual industrial pode ser coletado e convertido em energia elétrica, o que pode ajudar a aumentar a eficiência dos processos industriais.
Infelizmente, esta abordagem é menos simples para o calor residual de “baixa qualidade” (calor residual que atinge temperaturas inferiores a 200°C). O principal problema é que os materiais termoelétricos disponíveis nesta faixa de temperatura são bastante limitados. A maioria dos materiais inorgânicos termoelétricos são tóxicos, de produção proibitivamente cara ou muito rígidos para aplicações que exigem flexibilidade (como eletrônicos vestíveis).
Neste contexto, uma equipe de pesquisa que inclui o professor associado de pesquisa Hiroo Suzuki, da Universidade de Okayama, no Japão, tem estudado a aplicação de fios de nanotubos de carbono (CNT) na conversão termoelétrica.
Em um estudo, cujas descobertas foram publicadas em 12 de março de 2024, na revista Small Methods , eles abordaram um grande obstáculo nesta área específica:a falta de fios CNT tipo n de alto desempenho (fios CNT com excesso de elétrons) para calor residual de baixa qualidade, em oposição aos fios CNT tipo p (fios com excesso de elétrons) de portadores de carga positiva). Este artigo foi coautor de Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa e Yasuhiko Hayashi, todos da Universidade de Okayama.
“Construídos a partir de CNTs, os fios CNT são adequados para aplicações práticas, pois a estrutura semelhante a um fio permite a fabricação de dispositivos termoelétricos flexíveis, como módulos baseados em tecido”, explica o Dr. Suzuki.
"Embora relatórios recentes tenham apresentado fios CNT tipo p com um notável fator de potência termoelétrica, a ausência de fios CNT tipo n semelhantes impõe limitações para configurações de dispositivos envolvendo módulos tipo π, que requerem CNTs tipo p e n para alcançar alta eficiência."
Para resolver o problema, a equipe de pesquisa procurou estabelecer um novo método de dopagem (adição de impurezas) para produzir com eficiência fios CNT do tipo n. Eles selecionaram 4-(1,3-dimetil-2, 3-di-hidro-1H-benzimidazol-2-il) fenil) dimetilamina (N-DMBI) como um dopante promissor devido à sua alta estabilidade no ar, que é essencial na maioria aplicações práticas.
Primeiro, os pesquisadores fiaram fios CNT usando uma técnica de fiação a seco. Esses fios passaram então por um “processo de recozimento Joule”, que submete o material a uma corrente elétrica até atingir uma alta temperatura controlada com precisão.
A lógica subjacente a esta etapa de processamento é que o calor transitório aumenta a cristalinidade dos CNTs, reduzindo assim a sua condutividade térmica. Por sua vez, isso melhora seu desempenho termoelétrico. Além disso, o recozimento Joule melhora muito as propriedades mecânicas do fio.
Em seguida, a equipe procurou estabelecer um protocolo ideal de dopagem N-DMBI para os fios CNT. "A otimização do processo de dopagem envolveu uma seleção rigorosa de um solvente adequado. Avaliamos dez opções diferentes, incluindo solventes apolares, solventes polares apróticos e solventes polares próticos", comenta o Dr. Suzuki. "Acabamos identificando o o-diclorobenzeno como o solvente mais adequado para dopagem com N-DMBI em baixas temperaturas, com base em uma análise do coeficiente Seebeck resultante dos fios CNT."
Após extensa experimentação, a equipe relatou que os fios CNT recozidos e dopados com n alcançaram fatores de potência termoelétrica notavelmente altos em temperaturas que variam de 30 a 200°C, juntamente com um alto valor de mérito (uma expressão numérica que representa o desempenho ou eficiência de um material). Eles testaram ainda este material do tipo n em um protótipo de gerador termoelétrico do tipo π, que poderia produzir eletricidade mesmo a apenas 55°C e uma diferença de temperatura de 20°C.
“Alcançar a geração de energia em baixas temperaturas com pequenas diferenças de temperatura é significativo para o desenvolvimento de módulos termoelétricos que podem aproveitar diversas fontes térmicas, como calor residual de instalações industriais, dissipação térmica de veículos e até mesmo calor corporal”, observa o Dr. .
"Nossa pesquisa pode, portanto, ajudar a resolver os problemas energéticos enfrentados pela sociedade, contribuindo para a economia de energia através do uso eficiente de energia que de outra forma seria desperdiçada. Além disso, os geradores termoelétricos podem ser usados como fonte de energia local para acionar dispositivos IoT, como sensores flexíveis de saúde."
No geral, os conhecimentos obtidos através deste estudo poderão levar ao desenvolvimento de melhores materiais termoelétricos orgânicos, abrindo caminho para uma recolha de energia mais eficiente a partir do calor residual.
