Alto desempenho termoelétrico de filmes nanocompósitos flexíveis baseados em nanoplacas Bi2Te3 e nanotubos de carbono selecionados por ultracentrifugação

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 3010 (2023) Citar este artigo

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Geradores termoelétricos com flexibilidade e alto desempenho próximo a 300 K têm potencial para serem empregados em fontes de alimentação autossuficientes para dispositivos de Internet das Coisas (IoT). O telureto de bismuto (Bi2Te3) apresenta alto desempenho termoelétrico e os nanotubos de carbono de parede simples (SWCNTs) apresentam excelente flexibilidade. Portanto, os compósitos de Bi2Te3 e SWCNTs devem apresentar uma estrutura ótima e alto desempenho. Neste estudo, filmes nanocompósitos flexíveis baseados em nanoplacas Bi2Te3 e SWCNTs foram preparados por drop casting em uma folha flexível, seguido de recozimento térmico. As nanoplacas Bi2Te3 foram sintetizadas usando o método solvotérmico, e os SWCNTs foram sintetizados usando o método de supercrescimento. Para melhorar as propriedades termoelétricas dos SWCNTs, foi realizada ultracentrifugação com um surfactante para obter seletivamente SWCNTs adequados. Este processo seleciona SWCNTs finos e longos, mas não considera a cristalinidade, distribuição de quiralidade e diâmetros. Um filme formado por nanoplacas de Bi2Te3 e os SWCNTs finos e longos apresentou alta condutividade elétrica, seis vezes maior que um filme com SWCNTs obtido sem ultracentrifugação; isso ocorre porque os SWCNTs conectaram uniformemente as nanoplacas circundantes. O fator de potência foi de 6,3 μW/(cm K2), revelando que este é um dos filmes nanocompósitos flexíveis de melhor desempenho. As descobertas deste estudo podem apoiar a aplicação de filmes nanocompósitos flexíveis em geradores termoelétricos para fornecer fontes de alimentação autossuficientes para dispositivos IoT.

Os geradores termoelétricos de película fina (TEGs) estão ganhando cada vez mais interesse como fontes de alimentação para sensores e dispositivos de Internet das Coisas (IoT)1,2,3,4. Os TEGs produzem energia elétrica a partir de várias fontes de calor, como o corpo humano, o calor residual industrial e o calor natural5,6,7. As fontes de alimentação para sensores e dispositivos IoT devem possuir flexibilidade e tamanho pequeno, mas não precisam gerar alta potência elétrica8. Os requisitos de sensores e dispositivos IoT se alinham com as características dos TEGs de película fina. A eficiência de um TEG depende diretamente do desempenho do material termoelétrico, que é expresso como a figura de mérito adimensional (ZT), definida como ZT = σS2T/κ, e o fator de potência (PF), definido como PF = σS2, onde σ, S e κ são a condutividade elétrica, o coeficiente de Seebeck e a condutividade térmica, respectivamente.

Entre os materiais termoelétricos, o telureto de bismuto (Bi2Te3) e os nanotubos de carbono (CNTs) são os principais candidatos para as aplicações mencionadas. O Bi2Te3 foi desenvolvido na década de 1950 e exibe o maior desempenho termoelétrico próximo a 300 K9,10. O Bi2Te3 possui estrutura cristalina romboédrica do tipo tetradimita, com grupo espacial \(D_{3d}^{5} (R\mathop 3\limits^{ - } m)\), e sua célula unitária é descrita como hexagonal. Devido a essa estrutura, os cristais de Bi2Te3 são cultivados como nanoplacas hexagonais no processo de solução11,12,13. As nanoplacas Bi2Te3 têm aproximadamente 1 μm de diâmetro e dezenas de nanômetros de espessura. Essa estrutura contribui para melhorar o desempenho termoelétrico devido ao efeito de baixa dimensão e efeito de tamanho quântico14,15,16. Em estudos anteriores, nanoplacas hexagonais de Bi2Te3 foram sintetizadas por síntese solvotérmica sob várias condições17,18,19, e filmes de nanoplacas de Bi2Te3 foram preparados usando drop-casting20,21,22,23. Além disso, os CNTs são classificados em CNTs de paredes múltiplas (MWCNTs), fabricados em 1991, e CNTs de parede simples (SWCNTs), fabricados em 199324,25. Os MWCNTs apresentam características metálicas e os SWCNTs apresentam características metálicas ou semicondutoras dependendo de sua estrutura, que é caracterizada pelo índice quiral (n,m)26. SWCNTs com características semicondutoras têm sido usados como materiais termoelétricos27,28,29,30,31. O desempenho dos SWCNTs é inferior ao do Bi2Te3, mas os SWCNTs têm excelentes características, incluindo flexibilidade, resistência ao calor e não toxicidade. Portanto, muitos pesquisadores têm tentado melhorar o desempenho termoelétrico dos SWCNTs32,33,34,35,36.

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>