Con el crecimiento del Internet de las cosas, se consideran importantes las soluciones sostenibles para alimentar sensores y dispositivos inalámbricos. Los generadores termoeléctricos, por ejemplo, que tienen la capacidad de convertir el calor residual en electricidad, pueden ofrecer una solución sostenible. Investigadores de todo el mundo han estado trabajando en este tipo de soluciones.
Un equipo de investigación, dirigido por Masakazu Nakamura del Instituto de Ciencia y Tecnología de Nara (NAIST), Japón, también ha estado trabajando en generadores termoeléctricos portátiles flexibles que producen electricidad a partir del calor corporal cosiendo nanomateriales llamados nanotubos de carbono (CNT) en telas.
Los materiales termoeléctricos (TE) eficaces se caracterizan por una alta conductividad eléctrica que permite una alta corriente eléctrica y un gran coeficiente de Seebeck que genera voltaje por diferencia de temperatura. Los CNT cumplen con la mayoría de estos requisitos. Su flexibilidad y alta resistencia mecánica también los hacen prometedores para diversas aplicaciones TE. Sin embargo, la alta conductividad térmica de los CNT limita su rendimiento TE.
Para reducir su conductividad térmica, los CNT se dispersan en una solución en la que se pueden combinar con otros materiales. Esta dispersión luego se hila para obtener hilos CNT mediante un proceso de hilatura en húmedo. Sin embargo, los métodos de dispersión convencionales a menudo enredan filamentos CNT de nanómetros de espesor, lo que reduce su conductividad eléctrica y rendimiento termoeléctrico.
Ahora, sin embargo, en un estudio publicado en ACS Applied Nano Materials , Nakamura, junto con un Ph.D. El estudiante Anh N. Nguyen y otros miembros también de NAIST, introducen un nuevo método para dispersar CNT. Utilizando glicerol como dispersante y éter estearílico de polioxietileno (50) como tensioactivo (una sustancia utilizada para mejorar las propiedades de dispersión y humectación de un líquido), los investigadores lograron un hilo de CNT con haces de CNT alineados.
"Presentamos un método económico, rápido y respetuoso con el medio ambiente para el desarrollo de dispositivos termoeléctricos portátiles flexibles y de tela", afirma Nakamura.
El glicerol es muy viscoso, lo que lo convierte en un medio excelente para dispersar uniformemente los CNT, mientras que el tensioactivo evita que los CNT se aglomeren en la dispersión. Los tensioactivos con grupos oxietileno también impiden la transferencia de calor al introducirse entre los haces de CNT.
La concentración de tensioactivo es crucial, ya que influye tanto en la conductividad térmica como eléctrica de la dispersión de CNT. Después de probar las propiedades de los CNT en varias concentraciones de tensioactivo (3%, 4% y 5%), los investigadores descubrieron que una concentración de tensioactivo del 3%, cuando se combinaba con una solución que contenía glicerol y CNT, daba los mejores resultados. El proceso, que solo tardó tres horas en completarse y utilizó productos químicos ecológicos, produjo hilo CNT con haces de CNT de ocho nm de diámetro altamente alineados con tensioactivo entre ellos.
La alineación de los CNT generalmente aumenta la conductividad eléctrica y térmica. Sin embargo, al intercalar moléculas de surfactante entre haces de CNT, los investigadores pudieron suprimir el transporte de calor. Los hilos CNT tenían un factor de potencia de 242 μW m −1 K -2 (lo que refleja un rendimiento) tres veces superior al de los hilos CNT obtenidos anteriormente mediante métodos que utilizan líquidos iónicos como dispersantes.
"La clave para un alto rendimiento es desenmarañar el material CNT en bruto y aumentar el grado de orientación del CNT cuando se hila a partir de la dispersión", explica Nakamura.
Por lo tanto, el novedoso enfoque propuesto es prometedor para mejorar el rendimiento termoeléctrico de los materiales CNT, desde hilos hasta películas y estructuras a granel.
Más información: Anh N. Nguyen et al, Hilos de nanotubos de carbono adaptados utilizando dispersantes y tensioactivos para generadores termoeléctricos flexibles y portátiles, Nanomateriales aplicados ACS (2024). DOI:10.1021/acsanm.4c00497
Proporcionado por el Instituto Nara de Ciencia y Tecnología
