Un film mince de nanotubes de carbone finement réglé a le potentiel d'agir comme un générateur d'énergie thermoélectrique qui capte et utilise la chaleur perdue, selon des chercheurs du Laboratoire national des énergies renouvelables (NREL) du Département de l'énergie.

La recherche pourrait aider à guider la fabrication de dispositifs thermoélectriques basés sur des films de nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNT) ou des composites contenant ces nanotubes. Parce que plus de la moitié de l'énergie consommée dans le monde est rejetée principalement sous forme de chaleur résiduelle, l'idée de la production d'énergie thermoélectrique apparaît comme une partie importante des portefeuilles d'énergie renouvelable et d'efficacité énergétique.

"Il n'y a pas eu beaucoup d'exemples où les gens se sont vraiment penchés sur les propriétés thermoélectriques intrinsèques des nanotubes de carbone et c'est ce que nous pensons que cet article fait, " a déclaré Andrew Ferguson, chercheur au Centre des sciences chimiques et des matériaux du NREL et co-auteur principal de l'article avec Jeffrey Blackburn.

La recherche, "Réseaux de nanotubes de carbone semi-conducteurs sur mesure avec des propriétés thermoélectriques améliorées, " apparaît dans le journal Énergie naturelle , et est une collaboration entre NREL, Le groupe du professeur Yong-Hyun Kim au Korea Advanced Institute of Science and Technology, et le groupe du professeur Barry Zink à l'Université de Denver. Les autres auteurs de NREL sont Azure Avery (maintenant professeur assistant à la Metropolitan State University of Denver), Ben Zhou, Élisa Miller, Rachelle Ihly, Kévin Mistry, et Sarah Guillot.

Les semi-conducteurs inorganiques nanostructurés se sont révélés prometteurs pour améliorer les performances des dispositifs thermoélectriques. Les matériaux inorganiques peuvent rencontrer des problèmes lorsque le semi-conducteur doit être léger, souple, ou de forme irrégulière car ils sont souvent lourds et manquent de la flexibilité requise. nanotubes de carbone, qui sont organiques, sont plus légers et plus flexibles.

Quelle est l'utilité d'un SWCNT particulier pour les thermoélectriques, cependant, selon que le nanotube est métallique ou semi-conducteur, les deux sont produits simultanément dans les synthèses SWCNT. Un nanotube métallique endommagerait des dispositifs tels qu'un générateur thermoélectrique, alors qu'un nanotube semi-conducteur améliore réellement les performances. Par ailleurs, comme avec la plupart des appareils optiques et électriques, la bande interdite électrique du SWCNT semi-conducteur devrait également affecter les performances thermoélectriques.

Heureusement, Blackburn, un scientifique senior et responsable du groupe Spectroscopie et Photoscience du NREL, a développé une expertise dans la séparation des nanotubes semi-conducteurs des nanotubes métalliques et ses méthodes ont été essentielles à la recherche, dit Ferguson.

« Nous avons ici l'avantage de pouvoir réellement l'utiliser pour sonder les propriétés fondamentales des nanotubes, " il a dit.

Pour générer des échantillons semi-conducteurs hautement enrichis, les chercheurs ont extrait des nanotubes de suie polydisperse à l'aide de polymères à base de polyfluorène. Les SWCNTs semi-conducteurs ont été préparés sur un substrat de verre pour créer un film, qui a ensuite été trempé dans une solution d'oxydant, l'hexachloroantimonate de triéthyloxonium (OA), un processus connu sous le nom de « dopage ». Le dopage augmente la densité des porteurs de charge, qui traversent le film pour conduire l'électricité. Les chercheurs ont découvert que les échantillons les plus performants étaient exposés à une concentration plus élevée d'arthrose, mais pas aux niveaux de dopage les plus élevés. Ils ont également découvert un diamètre optimal pour un nanotube de carbone afin d'obtenir les meilleures performances thermoélectriques.

En ce qui concerne les matériaux thermoélectriques, un compromis existe entre la thermopuissance (la tension obtenue en soumettant un matériau à un gradient de température) et la conductivité électrique car la thermopuissance diminue avec l'augmentation de la conductivité. Les chercheurs ont découvert, cependant, qu'avec les nanotubes de carbone, vous pouvez conserver de grandes puissances thermiques même à des conductivités électriques très élevées. Par ailleurs, les chercheurs ont découvert que leur stratégie de dopage, tout en augmentant considérablement la conductivité électrique, a en fait diminué la conductivité thermique. Ce résultat inattendu est un autre avantage des nanotubes de carbone pour la production d'énergie thermoélectrique, puisque les meilleurs matériaux thermoélectriques doivent avoir une conductivité électrique et une thermopuissance élevées, tout en maintenant une faible conductivité thermique.