Высокие термоэлектрические характеристики гибких нанокомпозитных пленок на основе нанопластин Bi2Te3 и углеродных нанотрубок, отобранных методом ультрацентрифугирования

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 3010 (2023) Цитировать эту статью

1054 доступа

3 цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Термоэлектрические генераторы с гибкостью и высокой производительностью около 300 К могут быть использованы в автономных источниках питания для устройств Интернета вещей (IoT). Теллурид висмута (Bi2Te3) демонстрирует высокие термоэлектрические характеристики, а одностенные углеродные нанотрубки (ОУНТ) демонстрируют превосходную гибкость. Следовательно, композиты Bi2Te3 и ОСУНТ должны иметь оптимальную структуру и высокие эксплуатационные характеристики. В данной работе гибкие нанокомпозитные пленки на основе нанопластин Bi2Te3 и ОСУНТ были изготовлены методом капельного литья на гибкий лист с последующим термическим отжигом. Нанопластины Bi2Te3 были синтезированы сольвотермическим методом, а ОСУНТ – методом суперроста. Для улучшения термоэлектрических свойств ОУНТ было проведено ультрацентрифугирование с ПАВ для селективного получения подходящих ОУНТ. Этот процесс выбирает тонкие и длинные ОУНТ, но не учитывает кристалличность, распределение киральности и диаметры. Пленка, состоящая из нанопластин Bi2Te3 и тонких и длинных ОУНТ, имела высокую электропроводность, которая в шесть раз превышала таковую у пленки с ОСУНТ, полученной без ультрацентрифугирования; это связано с тем, что ОСУНТ равномерно соединяют окружающие нанопластины. Коэффициент мощности составил 6,3 мкВт/(см·К2), что свидетельствует о том, что это одна из самых эффективных гибких нанокомпозитных пленок. Результаты этого исследования могут поддержать применение гибких нанокомпозитных пленок в термоэлектрических генераторах для обеспечения автономных источников питания для устройств Интернета вещей.

Тонкопленочные термоэлектрические генераторы (ТЭГ) вызывают все больший интерес в качестве источников питания для датчиков и устройств Интернета вещей (IoT)1,2,3,4. ТЭГ производят электроэнергию из различных источников тепла, таких как человеческое тело, промышленные отходы и природное тепло5,6,7. Источники питания для датчиков и устройств Интернета вещей должны обладать гибкостью и небольшими размерами, но не должны генерировать высокую электрическую мощность8. Требования к датчикам и устройствам Интернета вещей соответствуют характеристикам тонкопленочных ТЭГ. КПД ТЭГ напрямую зависит от характеристик термоэлектрического материала, которые выражаются как безразмерной добротностью (ZT), определяемой как ZT = σS2T/κ, и коэффициентом мощности (PF), определяемым как PF = σS2, где σ, S и κ — электропроводность, коэффициент Зеебека и теплопроводность соответственно.

Среди термоэлектрических материалов теллурид висмута (Bi2Te3) и углеродные нанотрубки (УНТ) являются основными кандидатами для вышеупомянутых применений. Bi2Te3 был разработан в 1950-х годах и демонстрирует самые высокие термоэлектрические характеристики около 300 К9,10. Bi2Te3 имеет ромбоэдрическую кристаллическую структуру типа тетрадимита с пространственной группой \(D_{3d}^{5} (R\mathop 3\limits^{ - } m)\), а его элементарная ячейка описывается как гексагональная. Благодаря такой структуре кристаллы Bi2Te3 в процессе растворения выращиваются в виде гексагональных нанопластин11,12,13. Нанопластины Bi2Te3 имеют диаметр около 1 мкм и толщину в десятки нанометров. Эта структура способствует улучшению термоэлектрических характеристик благодаря низкоразмерному эффекту и квантово-размерному эффекту14,15,16. В предыдущих исследованиях гексагональные нанопластины Bi2Te3 были синтезированы методом сольвотермического синтеза в различных условиях17,18,19, а пленки нанопластин Bi2Te3 были получены методом капельного литья20,21,22,23. Кроме того, УНТ подразделяются на многостенные УНТ (МУНТ), изготовленные в 1991 году, и одностенные УНТ (ОУНТ), изготовленные в 1993 году24,25. МУНТ обладают металлическими характеристиками, а ОСУНТ — металлическими или полупроводниковыми характеристиками в зависимости от их структуры, которая характеризуется киральным индексом (n,m)26. ОСУНТ с полупроводниковыми характеристиками использовались в качестве термоэлектрических материалов27,28,29,30,31. Характеристики ОУНТ уступают характеристикам Bi2Te3, но ОСУНТ обладают превосходными характеристиками, включая гибкость, термостойкость и нетоксичность. Поэтому многие исследователи пытались улучшить термоэлектрические характеристики ОУНТ32,33,34,35,36.

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>