Nanoparticella Sb2Te3

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 5783 (2023) Citare questo articolo

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I nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT) sono materiali termoelettrici promettenti grazie alla loro flessibilità e all'eccellente durata se esposti al calore e alle sostanze chimiche. Pertanto, si prevede che verranno utilizzati negli alimentatori per vari sensori. Tuttavia le loro prestazioni termoelettriche sono inferiori a quelle dei materiali termoelettrici inorganici. Per migliorare le prestazioni termoelettriche mantenendo le eccellenti caratteristiche degli SWCNT, viene proposto un nuovo approccio per formare strati termoelettrici inorganici sulle superfici del fascio SWCNT mediante elettrodeposizione. Abbiamo sintetizzato film SWCNT contenenti nanoparticelle Sb2Te3 e li abbiamo rivestiti con strati Sb2Te3 elettrodepositati. Le nanoparticelle Sb2Te3 sono state sintetizzate tramite una reazione redox spontanea, che sono state poi aggiunte a una soluzione di dispersione SWCNT e i film sono stati prodotti tramite filtrazione sotto vuoto. Con contenuti di nanoparticelle più elevati nei film, gli strati elettrodepositati di Sb2Te3 coprivano completamente i fasci SWCNT a causa dell'aumento della concentrazione di ioni precursori vicino alla superficie del fascio SWCNT, che a sua volta era il risultato di nanoparticelle fuse. Le prestazioni termoelettriche sono migliorate e il fattore di potenza massimo a circa 25 °C è stato di 59,5 µW/(m K2), ovvero 4,7 volte superiore a quello del normale film SWCNT. Questi risultati forniscono preziose informazioni per la progettazione e la fabbricazione di materiali termoelettrici flessibili ad alte prestazioni.

I generatori termoelettrici sono dispositivi promettenti per la raccolta di energia. Producono energia elettrica tramite diffusione di portatori in risposta al flusso di calore prodotto da un gradiente di temperatura nei materiali termoelettrici. Lo sviluppo diffuso dell’Internet delle cose (IoT) ha facilitato l’emergere della tecnologia dei generatori termoelettrici flessibili1,2,3,4. Questo perché la tecnologia IoT richiede un gran numero di sensori e gli alimentatori wireless per i sensori che utilizzano fonti di calore ambientali sono indispensabili per la tecnologia. Inoltre, la flessibilità favorisce l'installazione dei generatori in una varietà di fonti di calore, come corpi umani e oggetti con superfici curve5,6,7,8.

In generale, i materiali termoelettrici flessibili includono materiali organici conduttivi9,10,11, nanotubi di carbonio a parete singola (SWCNT)12,13,14 e relativi compositi15,16,17. Tra questi, gli SWCNT sono eccellenti come alimentatori per i sensori IoT perché mostrano un'eccellente resistenza al calore e agli agenti chimici. Sebbene gli SWCNT dimostrino caratteristiche eccellenti per i generatori termoelettrici flessibili, le loro prestazioni termoelettriche sono inferiori a quelle dei calcogenuri inorganici come le leghe a base di Bi2Te318. La prestazione termoelettrica è espressa dalla figura di merito adimensionale ZT = σS2T/κ e dal fattore di potenza PF = σS2, dove σ, S, T e κ rappresentano rispettivamente la conduttività elettrica, il coefficiente di Seebeck, la temperatura assoluta e la conduttività termica .

Per aumentare le prestazioni termoelettriche, un approccio efficace è quello di combinare gli SWCNT con materiali termoelettrici inorganici. Jin et al. ha utilizzato una tecnica di sputtering per fabbricare un materiale termoelettrico flessibile comprendente nanocristalli di tellururo di bismuto (Bi2Te3) altamente ordinati ancorati su una rete di nanotubi di carbonio a parete singola; questo materiale presentava un elevato coefficiente di Seebeck19. Wu et al.20 hanno preparato film sottili ibridi di SWCNT di tipo p e nanopiastre di tellururo di antimonio (Sb2Te3), che mostravano fattori di potenza elevati, attraverso la combinazione di filtrazione sotto vuoto e ricottura. Oltre a questi studi, sono stati proposti ottimi materiali termoelettrici combinando i CNT con composti inorganici e organici21,22. Nel nostro studio precedente, abbiamo preparato una soluzione di dispersione SWCNT in nanopiastre Bi2Te3 utilizzando una sintesi solvotermica e prodotto film flessibili tramite drop-casting, con conseguente aumento delle prestazioni termoelettriche23,24,25.