Desafortunadamente, este enfoque es menos sencillo para el calor residual de "baja calidad" (el calor residual que alcanza temperaturas inferiores a 200°C). El principal problema es que los materiales termoeléctricos disponibles en este rango de temperaturas son bastante limitados. La mayoría de los materiales inorgánicos termoeléctricos son tóxicos, prohibitivamente caros de producir o demasiado rígidos para aplicaciones que requieren flexibilidad (como la electrónica portátil).

En este contexto, un equipo de investigación que incluye al profesor asociado de investigación Hiroo Suzuki de la Universidad de Okayama (Japón) ha estado estudiando la aplicación de hilos de nanotubos de carbono (CNT) en la conversión termoeléctrica.

En un estudio, cuyos hallazgos se publicaron el 12 de marzo de 2024 en Small Methods , abordaron un obstáculo importante en esta área en particular:la falta de hilos CNT tipo n (hilos CNT con un exceso de electrones) de alto rendimiento para el calor residual de baja calidad, a diferencia de los hilos CNT tipo p (hilos con exceso de electrones). de portadores de carga positiva). Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa y Yasuhiko Hayashi, todos de la Universidad de Okayama, fueron coautores de este artículo.

"Construidos a partir de CNT, los hilos CNT son muy adecuados para aplicaciones prácticas, ya que su estructura similar a un hilo permite la fabricación de dispositivos termoeléctricos flexibles, como módulos basados ​​en tela", explica el Dr. Suzuki.

"Aunque informes recientes han mostrado hilos CNT tipo p con un factor de potencia termoeléctrico notable, la ausencia de hilos CNT tipo n similares impone limitaciones para las configuraciones de dispositivos que involucran módulos tipo π, que requieren CNT tipo p y n para lograr alta eficiencia."

Para abordar el problema, el equipo de investigación buscó establecer un nuevo método de dopaje (adición de impurezas) para producir de manera eficiente hilos CNT de tipo n. Seleccionaron 4-(1,3-dimetil-2,3-dihidro-1H-bencimidazol-2-il)fenil)dimetilamina (N-DMBI) como un dopante prometedor debido a su alta estabilidad en el aire, que es esencial en la mayoría de los casos. aplicaciones prácticas.

Primero, los investigadores hilaron hilos CNT utilizando una técnica de hilado en seco. Luego, estos hilos se sometieron a un "proceso de recocido Joule", que somete el material a una corriente eléctrica hasta que alcanza una temperatura alta controlada con precisión.

La lógica subyacente a este paso de procesamiento es que el calor transitorio aumenta la cristalinidad de los CNT, reduciendo así su conductividad térmica. A su vez, esto mejora su rendimiento termoeléctrico. Además, el recocido Joule mejora enormemente las propiedades mecánicas del hilo.

A continuación, el equipo buscó establecer un protocolo de dopaje con N-DMBI óptimo para los hilos CNT. "La optimización del proceso de dopaje implicó una selección rigurosa de un disolvente adecuado. Evaluamos diez opciones diferentes, incluidos disolventes no polares, disolventes apróticos polares y disolventes próticos polares", comenta el Dr. Suzuki. "Finalmente identificamos el o-diclorobenceno como el disolvente más adecuado para el dopaje con N-DMBI a bajas temperaturas, basándonos en un análisis del coeficiente de Seebeck resultante de los hilos CNT."

Después de una extensa experimentación, el equipo informó que los hilos CNT recocidos y dopados con n alcanzaron factores de potencia termoeléctrica notablemente altos dentro de temperaturas que oscilaban entre 30 y 200 °C, junto con una alta figura de mérito (una expresión numérica que representa el rendimiento o la eficiencia de un material). Además, probaron este material de tipo n en un prototipo de generador termoeléctrico de tipo π, que podía producir electricidad incluso a solo 55 °C y una diferencia de temperatura de 20 °C.

"Lograr la generación de energía a bajas temperaturas con pequeñas diferencias de temperatura es importante para el desarrollo de módulos termoeléctricos que puedan aprovechar diversas fuentes térmicas, como el calor residual de las instalaciones industriales, la disipación térmica de los vehículos e incluso el calor corporal", comenta el Dr. Suzuki. .

"Por tanto, nuestra investigación puede ayudar a abordar los problemas energéticos a los que se enfrenta la sociedad, contribuyendo al ahorro de energía mediante el uso eficiente de energía que de otro modo se desperdiciaría. Además, los generadores termoeléctricos se pueden utilizar como fuente de energía local para impulsar dispositivos IoT, como sensores de salud flexibles".

En general, los conocimientos obtenidos a través de este estudio podrían conducir al desarrollo de mejores materiales termoeléctricos orgánicos, allanando el camino para una recolección de energía más eficiente a partir del calor residual.