低溫下擁有優異熱電性能之n型奈米碳管,可望適用於能量採集

 

刊登日期:2024/5/31
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日本岡山大學與東京工業大學等展開共同研究,開發了一項於低溫環境下具有優異熱電性能之n型奈米碳管(CNT)紗線。CNT為奈米級圓筒狀結構的碳材料,擁有優異的機械柔韌性、人體適應性等特性,因此在能量採集(Energy Harvesting)領域可望活用做為熱電轉換材料而受矚目。然而,與現有材料相比,CNT尚有熱電轉換性能較差的問題。為了製造做為熱電轉換元件結構之一的π型熱電轉換模組,需要n型與p型的熱電轉換材料。其中由於n型CNT缺乏大氣穩定性,因此很難獲得高熱電轉換性能。

本研究中,透過將無數條CNT集束而成的CNT紡紗進行高達3,100°C的電熱處理,成功改善了IG/ID。IG/ID指的是CNT中拉曼散射光譜中,源自六元環結構的G帶強度(IG)與缺陷引起的D帶強度(ID)之比值,當數值越大時,代表CNT的結晶度越高。研究團隊亦對摻雜(Doping)處理進行了最佳化。由於N-DMBI的溶劑大幅影響了摻雜效果,結果顯示磷-二氯苯(o-Dichlorobenzene)是能夠獲得較大負塞貝克係數(每單位溫差產生的電力)的最佳溶劑。經過上述處理的CNT紡紗,分別在接近室溫的30°C時達到了1,534 µW/mK以及200°C時達到了2,800 µW/mK的高功率因數。

另外,將此CNT紡紗之熱電轉換性能在2個月間的大氣穩定性與常見的n型摻雜高分子聚乙烯亞胺(Polyethylenimine; PEI)進行比較後,可知PEI的功率因數下降了55%,而N-DMBI僅下降了4%。除此之外,由於無因次熱電優值(ZT)是熱電轉換能量性能的指標,經評估後發現,CNT具有非常高的ZT(~1.7×10-2)。透過應用這些技術,將CNT紡紗纏繞於柔軟的材料,並且在兩側進行p型與n型之摻雜,製作出π型熱電轉換模組。實驗證明,此模組可在低溫下產出電力。今後此項技術若能在能量採集領域達到實用化,將可望實現萬物聯網(The Internet of Everything; IoE)之目標。


資料來源: https://www.okayama-u.ac.jp/up_load_files/press_r6/press20240430-1.pdf
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