利用超长空气稳定性n型碳纳米管膜制备热电发电机，为物联网传感器供电
2022-12-19 15:41:11   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

碳纳米管（CNT）在电子、能源和功能材料等领域有广泛应用。它们具有六方碳围绕圆柱体轴线螺旋排列的原子结构。根据其结构差异，碳纳米管通常可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）。

与多壁碳纳米管相比，单壁碳纳米管具有极高的电导率和热导率等诸多优异性能。近来，得益于新的合成方法，业界已经克服了单壁碳纳米管的高制造成本局限。在此背景下，开发需要大量高品质单壁碳纳米管的应用变得切实可行。

通过塞贝克效应，单壁碳纳米管可用于开发将热能直接转换为电能的热电发电机（TEG）。基于单壁碳纳米管的热电发电机具有柔性且重量轻，在300 K附近具有相对较高的热电性能。因此，它们有望用作物联网（IoT）传感器的电源。值得注意的是，为了实现更高效的物联网传感网络，通常需要在不方便接电或更换电池的位置安装自供能的传感器。

一般来说，热电发电机由许多n型和p型热电元件组成，这些热电元件交替串联连接。然而，制造在空气中具有长期稳定性的n型单壁碳纳米管非常具有挑战性。因为原始的单壁碳纳米管表现出n型特性，当氧分子吸附在单壁碳纳米管表面上时，它会立即变为p型；因此，单壁碳纳米管上的电子被转移至氧分子。

为了克服这一局限，一些学者已经尝试并提出了各种在空气中实现长期稳定性的n型单壁碳纳米管的方法。例如，Nonoguchi等研究人员报道了盐配位的n型单壁碳纳米管在长时间内（甚至在100℃下），都表现出了优异的空气稳定性；Hata等研究人员最近报道了一种聚合物密封的单壁碳纳米管（包含1,2-二苯肼），在加速老化条件下化学稳定性超过一个月。

这些开创性的研究激励我们采用简单的工艺方法研究空气稳定的n型单壁碳纳米管。据麦姆斯咨询介绍，日本东海大学（Tokai University）的研究人员在其最近的研究中，采用不同阴离子表面活性剂制备了n型单壁碳纳米管膜，然后进行热处理。其中，含有十二烷基苯磺酸钠（SDBS）的单壁碳纳米管膜持续14天表现出约 − 50 µV/K的n型塞贝克系数。

为了进一步延长稳定保持n型塞贝克系数的时间，东海大学的研究人员在最新的研究中采用了分散在单壁碳纳米管中的阳离子表面活性剂。这项研究成果已经发表于最近的Scientific Reports期刊。与阴离子表面活性剂中的分子相比，阳离子表面活性剂中的分子由于阳离子-π轨道相互作用而牢固地附着在碳纳米管表面。然而，阳离子表面活性剂的分散性低于阴离子表面活性。

因此，研究人员研究了几种分散在单壁碳纳米管中的阳离子表面活性剂，并评估了它们在空气稳定性方面的热电性能。然后制备了全碳热电发电机，其由p型单壁碳纳米管膜和具有阳离子表面活性剂（n型）的单壁碳纳米管膜组成，并测量了热电发电机的性能。

利用表面活性剂制备单壁碳纳米管膜

（a）全碳热电发电机的制造工艺；（b）完成的全碳热电发电机照片；（c）全碳热电发电机性能测量照片。

总之，采用阳离子表面活性剂通过简单的制造工艺，获得了具有长期空气稳定性和n型塞贝克系数的n型单壁碳纳米管膜。将阳离子表面活性剂与单壁碳纳米管混合，通过滴铸法（drop casting）和热处理制备了单壁碳纳米管膜。当双十八烷基二甲基氯化铵（DODMAC）用作阳离子表面活性剂，热处理温度设置在150℃和200℃时，表现出塞贝克系数并能保持n型特性超过两年。

这种现象的一个原因是DODMAC完全涂覆了单壁碳纳米管，即使氧分子会保留在单壁碳纳米管表面附近，DODMAC和单壁碳纳米管之间的优先电子转移从而在所得单壁碳纳米管膜中产生n型塞贝克系数。此外，单壁碳纳米管膜在面内方向上表现出极低的热导率，这对于薄膜热电发电机非常有用。

然后，研究人员通过滴铸法在柔性聚酰亚胺片上制造全碳热电发电机（n型：单壁碳纳米管膜/DODMAC和p型：单壁碳纳米管膜），然后进行热处理。这种TEG在160天内不会退化，并且在60 K的温差下输出电压为24 mV，最大功率为0.4 µW。尽管性能仍然不够好，但该研究结果为碳纳米管热电发电机作为物联网传感器的供能方案开辟了道路。

延伸阅读：

《碳纳米管（CNT）市场、技术及厂商-2022版》

《石墨烯市场和二维材料评估-2022版》

《热电制冷、加热及能量收集-2021版》