Una película delgada de nanotubos de carbono finamente ajustada tiene el potencial de actuar como un generador de energía termoeléctrica que captura y utiliza el calor residual. según investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) del Departamento de Energía.

La investigación podría ayudar a orientar la fabricación de dispositivos termoeléctricos basados ​​en películas de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) o compuestos que contienen estos nanotubos. Dado que más de la mitad de la energía consumida en todo el mundo se rechaza principalmente como calor residual, la idea de generación de energía termoeléctrica está emergiendo como una parte importante de las carteras de energía renovable y eficiencia energética.

"No ha habido muchos ejemplos en los que la gente haya analizado realmente las propiedades termoeléctricas intrínsecas de los nanotubos de carbono y eso es lo que creemos que hace este artículo". "dijo Andrew Ferguson, científico investigador en el Centro de Ciencias Químicas y de Materiales de NREL y coautor principal del artículo con Jeffrey Blackburn.

La investigación, "Redes de nanotubos de carbono semiconductores a medida con propiedades termoeléctricas mejoradas, "aparece en el diario Energía de la naturaleza , y es una colaboración entre NREL, El grupo del profesor Yong-Hyun Kim en el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, y el grupo del profesor Barry Zink en la Universidad de Denver. Los otros autores de NREL son Azure Avery (ahora profesor asistente en la Universidad Estatal Metropolitana de Denver), Ben Zhou, Elisa Miller, Rachelle Ihly, Kevin Mistry, y Sarah Guillot.

Los semiconductores inorgánicos nanoestructurados han demostrado ser prometedores para mejorar el rendimiento de los dispositivos termoeléctricos. Los materiales inorgánicos pueden tener problemas cuando el semiconductor debe ser liviano, flexible, o de forma irregular porque a menudo son pesados ​​y carecen de la flexibilidad necesaria. Nanotubos de carbon, que son orgánicos, son más ligeros y flexibles.

Qué tan útil es un SWCNT en particular para termoeléctricos, sin embargo, depende de si el nanotubo es metálico o semiconductor, ambos se producen simultáneamente en síntesis SWCNT. Un nanotubo metálico dañaría dispositivos como un generador termoeléctrico, mientras que un nanotubo semiconductor mejora el rendimiento. Es más, como ocurre con la mayoría de dispositivos ópticos y eléctricos, la banda prohibida eléctrica del SWCNT semiconductor debería afectar también al rendimiento termoeléctrico.

Afortunadamente, Quemadura negra, un científico senior y gerente del grupo de espectroscopía y fotosciencia de NREL, ha desarrollado una experiencia en la separación de nanotubos semiconductores de los metálicos y sus métodos fueron fundamentales para la investigación, Ferguson dijo.

"Tenemos una clara ventaja aquí de que realmente podemos usar eso para probar las propiedades fundamentales de los nanotubos, " él dijo.

Para generar muestras semiconductoras altamente enriquecidas, los investigadores extrajeron nanotubos de hollín polidisperso utilizando polímeros a base de polifluoreno. Los SWCNT semiconductores se prepararon sobre un sustrato de vidrio para crear una película, que luego se empapó en una solución de oxidante, hexacloroantimoniato de trietiloxonio (OA), un proceso conocido como "dopaje". El dopaje aumenta la densidad de los portadores de carga, que fluyen a través de la película para conducir la electricidad. Los investigadores encontraron que las muestras que obtuvieron mejores resultados fueron expuestas a una mayor concentración de OA, pero no en los niveles más altos de dopaje. También descubrieron un diámetro óptimo para que un nanotubo de carbono logre el mejor rendimiento termoeléctrico.

Cuando se trata de materiales termoeléctricos, Existe una compensación entre la termopotencia (el voltaje que se obtiene al someter un material a un gradiente de temperatura) y la conductividad eléctrica porque la termopotencia disminuye al aumentar la conductividad. Los investigadores descubrieron, sin embargo, que con los nanotubos de carbono se pueden retener grandes termopoderes incluso con conductividades eléctricas muy elevadas. Es más, los investigadores encontraron que su estrategia de dopaje, mientras aumenta drásticamente la conductividad eléctrica, en realidad disminuyó la conductividad térmica. Este resultado inesperado es otro beneficio de los nanotubos de carbono para la generación de energía termoeléctrica, Dado que los mejores materiales termoeléctricos deben tener una alta conductividad eléctrica y termoeléctrica, manteniendo una conductividad térmica baja.