编织碳纳米管纤维可将热量转化为能量 | Nature Communications
将碳纳米管编织成线状纤维，再缝制成织物，就成了热电发电机，可以将太阳或其他来源的热量转化为能源。
图片来源 | Jeff Fitlow
低维材料由于其电荷载流子的限制导致热电性能增强，近年来引起了人们的广泛关注。碳纳米管除了具有柔韧性和重量轻等独特优势外，还具有一维特性，因此是很有前途的候选材料。然而，在宏观组装中保持单个碳纳米管的大功率因数一直是具有挑战性的，主要是由于样品形态差和缺乏适当的费米能级调整。
近日，莱斯大学的物理学家 Junichiro Kono 实验室与东京都立大学和基于莱斯的碳中心研究人员共同报告了一种超高功率因数(14±5 mW m−1 K−2)的宏观可编织碳纳米管纤维具有超高的电导率和导热性，并测试了其大规模应用的潜力。
他们的小规模实验制备了一种纤维增强、柔韧的棉织物，这种织物能将热量转化为足够的能量来为LED供电。他们说，随着进一步的发展，这些材料可能成为纤维和纺织电子产品以及能源收集的基石。
相同的纳米管纤维也可以用作散热器，以高效冷却敏感电子设备。
该研究成果发表在 Nature Communications 上。
基于缝入织物的碳纳米管 (CNT) 线的纺织热电 (TE) 发生器。
原理似乎很简单：如果热电材料的一边比另一边热，它就会产生能量。热量可以来自太阳或其他设备，比如在织物实验中使用的电炉。相反，增加能量可以促使材料冷却较热的一侧。
到目前为止，还没有纳米材料的宏观组合显示出必要的“巨大功率因数，”即莱斯研究人员在碳纳米管纤维中测量到的大约14 mW m-1 K-2。
“功率因数告诉你，在特定的温差和温度梯度下，你能从一种材料中获得多少功率密度，”该论文的第一作者、莱斯大学研究生 Natsumi Komatsu 说。她指出，一种材料的功率因数是其导电性和塞贝克系数的综合效应。塞贝克系数是一种衡量材料将热差转化为电能的能力的指标。
“种纤维的超高导电性是其关键特性之一，” Komatsu说。
这种超能力的来源还与调整纳米管固有的费米能级有关，这种能量决定了电化学势。研究人员能够通过化学掺杂由共同作者兼化学和生物分子工程师 Matteo Pasquali 的赖斯实验室制成纤维的纳米管来控制费米能级，从而使他们能够调整纤维的电子特性。
虽然他们测试的纤维被切割成厘米长度，但 Komatsu 说，设备没有理由不能利用 Pasquali 实验室生产的连续长度的优秀纳米管纤维。“无论你在哪里测量它们，它们都具有同样高的导电性，”她说。“我测量的部分很小，只是因为我的设备无法测量50米长的光纤。”
Pasquali 是碳中心(Carbon Hub)的负责人，该中心以一种从根本上改变世界使用化石碳氢化合物的方式促进碳材料和氢的发展。
莱斯大学的研究生 Natsumi Komatsu 展示了一种碳纳米管纤维增强的柔韧棉织物，它能将热量转化为足够的能量来为LED供电。这种热电发电机可以将来自太阳或其他来源的热量转化为能源。图片来源：Jeff Fitlow
“碳纳米管纤维一直在稳步增长，并在越来越多的应用中证明了其优势，”他说。“与其通过将碳燃烧成二氧化碳来浪费碳，我们还可以将其修复为有用的材料，从而在发电和运输方面具有进一步的环境效益。”
这项新研究是否会产生一种可以扔进洗衣机的太阳能电池板还有待观察，但 Kono 同意这项技术具有巨大而多样的潜力。
莱斯大学研究生 Natsumi Komatsu 拿着一卷线状碳纳米管纤维，这是使用纳米材料制造柔性热电发电机的项目的基础。图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学
他说：“碳纳米管已经存在了30年左右，在科学上，我们已经知道了很多。”“但为了制造现实世界的设备，我们需要宏观有序或晶体组件。这就是 Matteo 的团队和我的团队可以制作的碳纳米管样品类型，应用前景非常广阔。”
◾ 文献信息
Komatsu, N., Ichinose, Y., Dewey, O.S. et al.
Macroscopic weavable fibers of carbon nanotubes with giant thermoelectric power factor.
Nat Commun 12, 4931 (2021).
https://doi.org/10.1038/s41467-021-25208-z
部分参考来源：phys.org
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