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Jul 20, 2023

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 21603 (2022) Citare questo articolo

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Questo rapporto presenta film di nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) di tipo n con stabilità all'aria ultra lunga utilizzando un tensioattivo cationico e dimostra che il coefficiente di Seebeck di tipo n può essere mantenuto per più di due anni, che è la stabilità più alta riportata così per quanto ne sappiamo. Inoltre, i film SWCNT mostrano una conduttività termica estremamente bassa di 0,62 ± 0,08 W/(m·K) nella direzione nel piano, che è molto utile per i TEG a film sottile. Abbiamo fabbricato TEG interamente in nanotubi di carbonio, che utilizzano pellicole SWCNT di tipo p e sviluppate pellicole SWCNT di tipo n, ed è stata studiata la loro stabilità all'aria. I TEG non si sono degradati per 160 giorni e hanno mostrato una tensione di uscita di 24 mV, con una potenza massima di 0,4 µW a una differenza di temperatura di 60 K. Questi risultati aprono la strada per consentire l'uso diffuso di TEG a nanotubi di carbonio come fonti di energia in Sensori IoT.

I nanotubi di carbonio (CNT) hanno diverse applicazioni in campi quali l'elettronica1,2,3, l'energia4,5,6 e i materiali funzionali7,8,9. Inoltre, hanno strutture atomiche in cui il carbonio esagonale è disposto a spirale attorno all'asse di un cilindro10. I CNT sono generalmente classificati come CNT a parete singola (SWCNT) e CNT a parete multipla (MWCNT) in base alla loro struttura. Rispetto ai MWCNT, gli SWCNT hanno diverse proprietà superiori, tra cui conduttività elettrica e termica estremamente elevata. Recentemente, la limitazione degli elevati costi di produzione dell'SWCNT è stata superata grazie a nuovi metodi di sintesi11,12. In questo contesto, è diventato possibile sviluppare applicazioni che richiedono SWCNT di alta qualità in grandi quantità.

Gli SWCNT sono utilizzati nello sviluppo di generatori termoelettrici (TEG) che convertono l'energia termica direttamente in energia elettrica tramite l'effetto Seebeck13,14,15. I TEG basati su SWCNT mostrano flessibilità, leggerezza e proprietà termoelettriche moderatamente elevate intorno a 300 K. Pertanto, possono essere potenzialmente utilizzati come alimentatori per sensori Internet of Things (IoT)16,17,18. In particolare, è spesso necessario installare diversi sensori con alimentatori, anche in regioni strette e piegate, per consentire l’uso efficiente delle reti di sensori IoT. In generale, i TEG sono costituiti da numerosi elementi termoelettrici di tipo n e p collegati alternativamente in serie19,20,21. Tuttavia, è piuttosto impegnativo fabbricare SWCNT di tipo n con stabilità a lungo termine nell'aria. Questa difficoltà esiste perché gli SWCNT incontaminati mostrano proprietà di tipo n, che cambiano immediatamente in tipo p quando le molecole di ossigeno vengono adsorbite sulle superfici SWCNT; quindi, gli elettroni sugli SWCNT vengono trasferiti alle molecole di ossigeno22,23,24.

Per superare questa limitazione, diversi studiosi hanno tentato e proposto metodi per ottenere SWCNT di tipo n con stabilità a lungo termine nell'aria25,26,27,28,29,30. Nonoguchi et al. hanno riferito che gli SWCNT di tipo n coordinati dal sale hanno mostrato un'eccellente stabilità dell'aria per lunghi periodi, anche a 100°C25. Hata et al. hanno recentemente riferito che gli SWCNT sigillati con polimeri, inclusa la 1,2-difenilidrazina, erano chimicamente stabili per più di un mese in condizioni di invecchiamento accelerato26. Questi studi pionieristici ci hanno motivato a studiare gli SWCNT di tipo n stabili in aria utilizzando processi facili. Nei nostri studi recenti, i film SWCNT di tipo n sono stati preparati utilizzando diversi tensioattivi anionici, seguiti da trattamento termico31,32. Tra questi, i film SWCNT con dodecilbenzensolfonato di sodio (SDBS) hanno mostrato un coefficiente di Seebeck di tipo n di circa -50 µV/K per 14 giorni.

In questo studio, per estendere il tempo durante il quale il coefficiente di Seebeck di tipo n può essere mantenuto stabilmente, abbiamo utilizzato tensioattivi cationici dispersi negli SWCNT. Le molecole dei tensioattivi cationici sono fortemente attaccate alle superfici dei CNT a causa delle interazioni orbitali catione-π, a differenza di quelle dei tensioattivi anionici25,33. Tuttavia, la disperdibilità dei tensioattivi cationici è inferiore a quella dei tensioattivi anionici. Pertanto, abbiamo studiato diversi tensioattivi cationici dispersi negli SWCNT e stimato le loro proprietà termoelettriche per quanto riguarda la stabilità dell'aria. Il passo successivo è stato quello di preparare TEG interamente in carbonio34. Abbiamo preparato TEG interamente in carbonio, costituiti da film SWCNT di tipo p e film SWCNT con un tensioattivo cationico (tipo n) su un substrato flessibile, e abbiamo misurato le prestazioni del TEG.