Питание носимых устройств с помощью высокоэффективных нитей из углеродных нанотрубок

Важные новости

Питание носимых устройств с помощью производство пряжи из углеродных нанотрубок

Новый метод, предложенный исследователями для диспергирования углеродных нанотрубок (УНТ), использует глицерин в качестве диспергатора и стеариловый эфир полиоксиэтилена (50) в качестве поверхностно-активного вещества. Этот метод выравнивает углеродные нанотрубки и внедренные поверхностно-активные вещества между пучками УНТ, повышая электропроводность и одновременно подавляя теплопроводность, что приводит к значительному улучшению термоэлектрических характеристик УНТ по сравнению с традиционными методами. Фото: Масакадзу Накамура

С развитием Интернета вещей важными становятся устойчивые решения для питания беспроводных датчиков и устройств. Например, термоэлектрические генераторы, способные преобразовывать отходящее тепло в электричество, могут предложить устойчивое решение. Над такими решениями работают исследователи по всему миру.

Исследовательская группа под руководством Масакадзу Накамура из Института науки и технологий Нары (NAIST), Япония, также работает над гибкими носимыми термоэлектрическими генераторами, которые производят электричество из тепла тела путем вшивания наноматериалов, называемых углеродными нанотрубками (УНТ), в ткань.

<р>Эффективные термоэлектрические (ТЭ) материалы характеризуются высокой электропроводностью, обеспечивающей высокий электрический ток, и большим коэффициентом Зеебека, генерирующим напряжение за счет разницы температур. УНТ отвечают большинству этих требований. Их гибкость и высокая механическая прочность также делают их перспективными для различных применений ТЭ. Однако высокая теплопроводность УНТ ограничивает их TE-эффективность.

Чтобы снизить теплопроводность, УНТ диспергируют в растворе, где их можно комбинировать с другими материалами. Затем из этой дисперсии получают пряжу из УНТ с использованием процесса мокрого прядения. Однако традиционные методы дисперсии часто запутывают нити УНТ нанометровой толщины, что снижает их электропроводность и термоэлектрические характеристики.

Однако теперь в исследовании, опубликованном в ACS Applied Nano Materials, Накамура, вместе с доктором философии. студент Ань Н. Нгуен и другие члены также из NAIST представляют новый метод диспергирования УНТ. Используя глицерин в качестве диспергатора и стеариловый эфир полиоксиэтилена(50) в качестве поверхностно-активного вещества (вещества, используемого для улучшения свойств растекания и смачивания жидкости), исследователи получили нить из УНТ с выровненными пучками УНТ.

«Мы представляем недорогой, быстрый и экологически чистый метод разработки гибких и тканевых носимых термоэлектрических устройств», — говорит Накамура.

Питание носимых устройств с помощью высокоэффективных нитей из углеродных нанотрубок

Топографические изображения молекул поверхностно-активного вещества (обозначены красными прямоугольниками) на пучках УНТ, полученные с помощью частотно-модулированной атомно-силовой микроскопии (ФМ-АСМ). Вместо мокрого формования, при котором дисперсию впрыскивают в метанол, УНТ наносили разбавленной дисперсией на гидрофильную подложку SiO2/Si и промывали метанолом. Фото: Масакадзу Накамура

Глицерин обладает высокой вязкостью, что делает его превосходной средой для равномерного диспергирования УНТ, а поверхностно-активное вещество предотвращает агломерацию УНТ в дисперсии. ПАВ с оксиэтиленовыми группами также затрудняют теплообмен, попадая между пучками УНТ.

Концентрация ПАВ имеет решающее значение, поскольку она влияет как на теплопроводность, так и на электропроводность дисперсии УНТ. После тестирования свойств УНТ при различных концентрациях поверхностно-активных веществ (3%, 4% и 5%) исследователи обнаружили, что концентрация поверхностно-активных веществ в 3% в сочетании с раствором, содержащим глицерин и УНТ, дала наилучшие результаты. В ходе этого процесса, который занял всего три часа, и с использованием экологически чистых химикатов, была получена нить из УНТ с четко выровненными пучками УНТ диаметром восемь нм и поверхностно-активным веществом между ними.

Выравнивание УНТ обычно увеличивает как электропроводность, так и теплопроводность. Однако, поместив молекулы поверхностно-активного вещества между пучками УНТ, исследователи смогли подавить перенос тепла. Нити УНТ имели коэффициент мощности 242 мкВт·м·1 К·2 (отражающие характеристики) в три раза выше, чем у нитей УНТ, ранее полученных методами, в которых в качестве диспергаторов используются ионные жидкости.

» Ключом к высокой производительности является распутывание запутанности исходного материала УНТ и увеличение степени ориентации УНТ при прядении из дисперсии», — объясняет Накамура.

Таким образом, предлагаемый новый подход обещает улучшить термоэлектрические характеристики. характеристики материалов УНТ от нитей до пленок и объемных структур.

Дополнительная информация: Ань Н. Нгуен и др., Пряжа из углеродных нанотрубок, адаптированная с использованием диспергаторов и поверхностно-активных веществ «Гибкие и носимые термоэлектрические генераторы», ACS Applied Nano Materials (2024). DOI: 10.1021/acsanm.4c00497

Предоставлено Институтом науки и технологий Нары

Новости сегодня

Последние новости