Ультра

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21603 (2022) Цитировать эту статью

1302 Доступа

4 цитаты

2 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом отчете представлены пленки одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) n-типа со сверхдлительной стабильностью на воздухе с использованием катионного поверхностно-активного вещества и демонстрируется, что коэффициент Зеебека n-типа может сохраняться в течение более двух лет, что является самой высокой стабильностью, о которой сообщалось, таким образом. насколько нам известно. Кроме того, пленки ОСУНТ обладают чрезвычайно низкой теплопроводностью 0,62 ± 0,08 Вт/(м·К) в плоскостном направлении, что очень полезно для тонкопленочных ТЭГ. Мы изготовили ТЭГ из полностью углеродных нанотрубок, в которых используются пленки ОУНТ p-типа и разработанные пленки ОСУНТ n-типа, и исследовали их устойчивость на воздухе. ТЭГ не деградировали в течение 160 дней и демонстрировали выходное напряжение 24 мВ при максимальной мощности 0,4 мкВт при разнице температур 60 К. Эти результаты открывают путь к широкому использованию ТЭГ из углеродных нанотрубок в качестве источников энергии в Датчики Интернета вещей.

Углеродные нанотрубки (УНТ) имеют несколько применений в таких областях, как электроника1,2,3, энергетика4,5,6 и функциональные материалы7,8,9. Кроме того, они имеют атомные структуры, в которых гексагональный углерод спирально расположен вокруг оси цилиндра10. УНТ обычно подразделяют на одностенные УНТ (ОУНТ) и многостенные УНТ (МУНТ) в зависимости от их структуры. По сравнению с МУНТ, ОСУНТ обладают рядом превосходных свойств, включая чрезвычайно высокую электро- и теплопроводность. Недавно ограничение высоких затрат на производство ОУНТ было преодолено благодаря новым методам синтеза11,12. В этом контексте стало возможным разрабатывать приложения, требующие высококачественных ОУНТ в больших количествах.

ОСУНТ используются при разработке термоэлектрических генераторов (ТЭГ), которые преобразуют тепловую энергию непосредственно в электрическую посредством эффекта Зеебека13,14,15. ТЭГ на основе ОСУНТ обладают гибкостью, малым весом и умеренно высокими термоэлектрическими свойствами в районе 300 К. Следовательно, они потенциально могут использоваться в качестве источников питания для датчиков Интернета вещей (IoT)16,17,18. Примечательно, что для эффективного использования сенсорных сетей IoT часто требуется установка нескольких датчиков с источниками питания, в том числе в узких и изгибающихся участках. В целом ТЭГ состоят из множества термоэлектрических элементов n- и p-типа, которые поочередно соединены последовательно19,20,21. Однако изготовить ОУНТ n-типа с долговременной стабильностью на воздухе довольно сложно. Эта трудность существует потому, что чистые ОСУНТ обладают свойствами n-типа, которые сразу же изменяются на p-тип, когда молекулы кислорода адсорбируются на поверхности ОСУНТ; таким образом, электроны на ОСУНТ передаются молекулам кислорода22,23,24.

Чтобы преодолеть это ограничение, несколько ученых попытались и предложили методы получения ОУНТ n-типа с долгосрочной стабильностью на воздухе25,26,27,28,29,30. Ноногучи и др. сообщили, что ОСУНТ n-типа с координацией соли демонстрируют превосходную стабильность на воздухе в течение длительного времени, даже при 100°C25. Хата и др. недавно сообщили, что ОСУНТ, запечатанные полимером, включая 1,2-дифенилгидразин, были химически стабильны более месяца в условиях ускоренного старения26. Эти новаторские исследования побудили нас исследовать устойчивые на воздухе ОСУНТ n-типа с использованием простых процессов. В наших недавних исследованиях пленки ОСУНТ n-типа были приготовлены с использованием различных анионных поверхностно-активных веществ с последующей термообработкой31,32. Среди них пленки ОУНТ с додецилбензолсульфонатом натрия (SDBS) демонстрировали коэффициент Зеебека n-типа примерно -50 мкВ/К в течение 14 дней.

В данном исследовании, чтобы продлить время стабильного поддержания коэффициента Зеебека n-типа, мы использовали катионные ПАВ, диспергированные в ОСУНТ. Молекулы в катионных поверхностно-активных веществах прочно прикреплены к поверхности УНТ благодаря взаимодействиям катион-π-орбиталей, в отличие от молекул в анионных поверхностно-активных веществах25,33. Однако дисперсность катионных ПАВ ниже, чем у анионных ПАВ. Поэтому мы исследовали несколько катионных ПАВ, диспергированных в ОУНТ, и оценили их термоэлектрические свойства с учетом устойчивости на воздухе. Следующим шагом было получение полностью углеродных ТЭГ34. Мы приготовили цельноуглеродные ТЭГ, которые состояли из пленок ОСУНТ p-типа и пленок ОСУНТ с катионным поверхностно-активным веществом (n-типа) на гибкой подложке, и измерили характеристики ТЭГ.