De nouveaux fils de nanotubes de carbone peuvent générer de l'électricité à partir de la chaleur perdue

Conformément aux efforts mondiaux en faveur du développement durable, le développement de technologies de récupération d’énergie est devenu une priorité absolue en matière de recherche. Même si les sources d’énergie renouvelables comme l’énergie éolienne et solaire ont récemment pris le devant de la scène, la chaleur résiduelle constitue également une source d’énergie largement inexploitée. Grâce à des matériaux thermoélectriques, la chaleur résiduelle industrielle peut être récupérée et convertie en énergie électrique, ce qui peut contribuer à accroître l’efficacité des processus industriels.

Malheureusement, cette approche est moins simple pour la chaleur résiduelle de « faible qualité » (chaleur résiduelle atteignant des températures inférieures à 200 °C). Le principal problème est que les matériaux thermoélectriques disponibles dans cette plage de température sont assez limités. La plupart des matériaux inorganiques thermoélectriques sont soit toxiques, soit d'un coût de production prohibitif, soit trop rigides pour les applications qui nécessitent de la flexibilité (telles que l'électronique portable).

Dans ce contexte, une équipe de recherche comprenant le professeur associé de recherche Hiroo Suzuki de l'Université d'Okayama, au Japon, a étudié l'application des fils de nanotubes de carbone (CNT) dans la conversion thermoélectrique.

Dans une étude dont les résultats ont été publiés le 12 mars 2024 dans Petites méthodes, ils ont résolu un obstacle majeur dans ce domaine particulier : le manque de fils CNT de type n (fils CNT avec un excès d'électrons) hautes performances pour la chaleur perdue de faible qualité, par opposition aux fils CNT de type p (fils avec un excès d'électrons) de porteurs de charge positifs). Cet article a été co-écrit par Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa et Yasuhiko Hayashi, tous de l'Université d'Okayama.

“Construits à partir de NTC, les fils de NTC conviennent bien aux applications pratiques, car leur structure semblable à un fil permet la fabrication de dispositifs thermoélectriques flexibles tels que des modules à base de tissu”, explique le Dr Suzuki.

“Bien que des rapports récents aient présenté des fils CNT de type p dotés d'un facteur de puissance thermoélectrique remarquable, l'absence de fils CNT similaires de type n impose des limites aux configurations de dispositifs impliquant des modules de type π, qui nécessitent à la fois des CNT de type p et n pour atteindre haute efficacité.”

Pour résoudre le problème, l'équipe de recherche a cherché à établir une nouvelle méthode de dopage (ajout d'impuretés) pour produire efficacement des fils CNT de type n. Ils ont sélectionné la 4-(1, 3-diméthyl-2, 3-dihydro-1H-benzimidazole-2-yl) phényl) diméthylamine (N-DMBI) comme dopant prometteur en raison de sa grande stabilité dans l'air, essentielle dans la plupart des cas. Applications pratiques.

Tout d’abord, les chercheurs ont filé des fils CNT en utilisant une technique de filage à sec. Ces fils ont ensuite subi un « processus de recuit Joule », qui soumet le matériau à un courant électrique jusqu'à ce qu'il atteigne une température élevée précisément contrôlée.

La logique qui sous-tend cette étape de traitement est que la chaleur transitoire augmente la cristallinité des NTC, réduisant ainsi leur conductivité thermique. À son tour, cela améliore leurs performances thermoélectriques. De plus, le recuit Joule améliore considérablement les propriétés mécaniques du fil.

Ensuite, l’équipe a cherché à établir un protocole de dopage N-DMBI optimal pour les fils CNT. “L'optimisation du processus de dopage impliquait une sélection rigoureuse d'un solvant approprié. Nous avons évalué dix options différentes, notamment des solvants non polaires, des solvants aprotiques polaires et des solvants protiques polaires”, commente le Dr Suzuki. “Nous avons finalement identifié l'o-dichlorobenzène comme le solvant le plus approprié pour le dopage au N-DMBI à basse température, sur la base d'une analyse du coefficient Seebeck résultant des fils CNT.”

Après des expérimentations approfondies, l'équipe a rapporté que les fils de NTC recuits et dopés n atteignaient un facteur de puissance thermoélectrique remarquablement élevé dans des températures allant de 30 à 200°C, ainsi qu'un facteur de mérite élevé (une expression numérique représentant la performance ou l'efficacité de un matériau). Ils ont ensuite testé ce matériau de type n dans un prototype de générateur thermoélectrique de type π, capable de produire de l'électricité même à seulement 55°C et une différence de température de 20°C.

“La production d'électricité à basse température avec de faibles différences de température est importante pour le développement de modules thermoélectriques capables d'exploiter diverses sources thermiques, telles que la chaleur résiduelle des installations industrielles, la dissipation thermique des véhicules et même la chaleur corporelle”, remarque le Dr Suzuki. .

“Notre recherche peut ainsi aider à résoudre les problèmes énergétiques auxquels la société est confrontée, en contribuant aux économies d'énergie grâce à une utilisation efficace de l'énergie autrement gaspillée. En outre, les générateurs thermoélectriques peuvent être utilisés comme source d'énergie locale pour piloter des appareils IoT, tels que des capteurs de santé flexibles.”

Dans l’ensemble, les connaissances obtenues grâce à cette étude pourraient conduire au développement de meilleurs matériaux thermoélectriques organiques, ouvrant la voie à une récupération d’énergie plus efficace à partir de la chaleur perdue.