Elevate prestazioni termoelettriche di film nanocompositi flessibili basati su nanopiastre Bi2Te3 e nanotubi di carbonio selezionati mediante ultracentrifugazione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 3010 (2023) Citare questo articolo

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I generatori termoelettrici con flessibilità e prestazioni elevate vicini a 300 K hanno il potenziale per essere impiegati in alimentatori autoportanti per dispositivi Internet of Things (IoT). Il tellururo di bismuto (Bi2Te3) mostra elevate prestazioni termoelettriche e i nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) mostrano un'eccellente flessibilità. Pertanto, i compositi di Bi2Te3 e SWCNT dovrebbero presentare una struttura ottimale e prestazioni elevate. In questo studio, film nanocompositi flessibili basati su nanopiastre Bi2Te3 e SWCNT sono stati preparati mediante colata a goccia su un foglio flessibile, seguita da ricottura termica. Le nanopiastre Bi2Te3 sono state sintetizzate utilizzando il metodo solvotermico e gli SWCNT sono stati sintetizzati utilizzando il metodo della super-crescita. Per migliorare le proprietà termoelettriche degli SWCNT, è stata eseguita l'ultracentrifugazione con un tensioattivo per ottenere selettivamente SWCNT idonei. Questo processo seleziona SWCNT sottili e lunghi ma non considera la cristallinità, la distribuzione della chiralità e i diametri. Un film costituito da nanopiastre Bi2Te3 e SWCNT sottili e lunghi ha mostrato un'elevata conduttività elettrica, che era sei volte superiore a quella di un film con SWCNT ottenuto senza ultracentrifugazione; questo perché gli SWCNT collegavano uniformemente le nanopiastre circostanti. Il fattore di potenza era di 6,3 μW/(cm K2), rivelando che si tratta di uno dei film nanocompositi flessibili con le migliori prestazioni. I risultati di questo studio possono supportare l’applicazione di pellicole nanocomposite flessibili nei generatori termoelettrici per fornire alimentatori autoportanti per i dispositivi IoT.

I generatori termoelettrici a film sottile (TEG) stanno guadagnando crescente interesse come alimentatori per sensori e dispositivi Internet of Things (IoT)1,2,3,4. I TEG producono energia elettrica da varie fonti di calore, come il corpo umano, il calore di scarto industriale e il calore naturale5,6,7. Gli alimentatori per sensori e dispositivi IoT devono possedere flessibilità e dimensioni ridotte ma non devono generare elevata potenza elettrica8. I requisiti dei sensori e dei dispositivi IoT sono in linea con le caratteristiche dei TEG a film sottile. L’efficienza di un TEG dipende direttamente dalle prestazioni del materiale termoelettrico, che è espressa dalla figura di merito adimensionale (ZT), definita come ZT = σS2T/κ, e dal fattore di potenza (PF), definito come PF = σS2, dove σ, S e κ sono rispettivamente la conduttività elettrica, il coefficiente di Seebeck e la conduttività termica.

Tra i materiali termoelettrici, il tellururo di bismuto (Bi2Te3) e i nanotubi di carbonio (CNT) sono i principali candidati per le applicazioni sopra menzionate. Bi2Te3 è stato sviluppato negli anni '50 e presenta le prestazioni termoelettriche più elevate intorno a 300 K9,10. Bi2Te3 ha una struttura cristallina di tipo tetradimite romboedrica, con il gruppo spaziale \(D_{3d}^{5} (R\mathop 3\limits^{ - } m)\), e la sua cella unitaria è descritta come esagonale. Grazie a questa struttura, i cristalli di Bi2Te3 vengono coltivati come nanopiastre esagonali nel processo di soluzione11,12,13. Le nanopiastre Bi2Te3 hanno un diametro di circa 1 μm e uno spessore di decine di nanometri. Questa struttura contribuisce a migliorare le prestazioni termoelettriche grazie all'effetto di bassa dimensionalità e all'effetto di dimensione quantistica14,15,16. In studi precedenti, le nanopiastre esagonali Bi2Te3 sono state sintetizzate mediante sintesi solvotermica in varie condizioni17,18,19 e le pellicole di nanopiastre Bi2Te3 sono state preparate utilizzando il drop-casting20,21,22,23. Inoltre, i CNT sono classificati in CNT a parete multipla (MWCNT), fabbricati nel 1991, e CNT a parete singola (SWCNT), fabbricati nel 199324,25. I MWCNT presentano caratteristiche metalliche e gli SWCNT presentano caratteristiche metalliche o semiconduttrici a seconda della loro struttura, che è caratterizzata dall'indice chirale (n,m)26. Gli SWCNT con caratteristiche semiconduttrici sono stati utilizzati come materiali termoelettrici27,28,29,30,31. Le prestazioni degli SWCNT sono inferiori a quelle del Bi2Te3, ma gli SWCNT hanno caratteristiche eccellenti, tra cui flessibilità, resistenza al calore e non tossicità. Pertanto, molti ricercatori hanno tentato di migliorare le prestazioni termoelettriche degli SWCNT32,33,34,35,36.

97.0%, Fujifilm Wako Chemical Co.) without further purification. Bi2Te3 nanoplates were fabricated according to the following procedure: 0.4 g of PVP was dissolved in ethylene glycol (18 mL), followed by the addition of Bi2O3 (20 mM), TeO2 (70 mM), and 2 mL of NaOH solution (5.0 M). The resulting precursor solution was then sealed in an autoclave. The autoclave was then heated and maintained at 200 °C for 4 h, with stirring at 500 rpm. After the synthesis, the products were allowed to cool naturally below 70 °C. The products were then collected by centrifugation and washed several times with distilled water and absolute ethanol. Finally, the products were dried under a vacuum at 60 °C for 24 h./p>

99%, ZEON) were used as SWCNTs. The dispersion solution was prepared by adding 0.5 wt.% of SGCNT powder in 6 mL of ethanol, followed by homogeneously dispersing it using an ultrasonic homogenizer (Emerson SFX25) at 20 W for 45 min. As a surfactant, 2 mL of a sodium dodecylbenzene sulfonate (SDBS) standard solution (Fujifilm Wako Co.) was added to the dispersion solution, followed by stirring at 500 rpm for 30 min using a stirrer (AZ-1 Corporation DP-1L). The dispersion solution (3 mL) was placed in a centrifuge tube, and ultracentrifugation was performed at a rotation speed of 46,000 rpm (average force of 88,000 g) for 1 h. The weight fraction of SWCNTs in the supernatant layer was approximately 10% of the initial amount of SWCNTs used in the solution./p>