编织的纳米管纤维将热量转化为能量

受美国能源部基础科学能源计划资助美国莱斯大学的物理学家将小碳纳米管排列成纤维并将其嵌入织物中，构成一个热电发电机，并将太阳能或其他来源的热量转化为能量，产生足够的功率点亮发光二极管 (LED)。该报道发表在Nature communications上。

图注，莱斯大学研究生小松夏目漱石展示了一种碳纳米管纤维增强、柔韧的棉织物，它能将热量转化为足够的能量来驱动LED。这种热电发电机可以将太阳或其他来源的热量转化为能量。

灵活的热电发电机可能是使碳“绿色”的有用方法。低维材料最近作为热电材料引起了很多兴趣，因为它们的载流子限制导致热电性能增强。碳纳米管是一种很有前途的候选材料，因为它们是一维的，而且还具有独特的优点，例如柔韧性和重量轻。然而，在宏观组件中保持单个碳纳米管的大功率因数一直具有挑战性，主要是由于样品形态差和缺乏适当的费米能量调整。

为了克服这个问题，莱斯大学的物理学家 Junichiro Kono 实验室与东京都立大学和基于莱斯的碳中心的科学家一起努力制造定制的纳米管纤维并测试它们的大规模应用潜力。

他们的小规模实验产生了一种纤维增强的柔韧棉织物，可将热量转化为足够的能量来为 LED 供电。 随着进一步的发展，这种材料可能成为纤维和纺织电子产品以及能量收集的基石。相同的纳米管纤维也可以用作散热器，以高效地主动冷却敏感电子设备。

效果似乎很简单：如果热电材料的一侧比另一侧更热，它就会产生能量。 热量可以来自太阳或其他设备，如织物实验中使用的电炉。 相反，增加能量可以促使材料冷却较热的一侧。直到现在，纳米材料的宏观组装都没有显示出必要的“巨功率因数”，大约每米开尔文平方 14 毫瓦，莱斯的研究人员在碳纳米管纤维中测量到了这一点。

研究人员对宏观可编织定向碳纳米管（CNT） 纤维的热电特性进行研究。这些纯 CNT 纤维同时具有高排列密度、高 CNT 纵横比（每直径的长度）和低水平的杂质，因而具有超高电导率和导热性。研究人员通过化学处理将费米能调整到一维范霍夫奇点（VHS）附近以最大化塞贝克系数（S），获得高功率因数 (PF)。基于这些，研究人员将碳纳米管纤维制造成一种纺织热电发电机，它具有很高的热电性能、可编织性和可伸缩性，并观察到了大的功率因数，可以产生足够的功率点亮发光二极管 (LED)。

功率因数告诉你在一定的温差和温度梯度下你可以从材料中获得多少功率密度，材料的功率因数是其导电性和所谓的塞贝克系数的综合效应，塞贝克系数是衡量其将热差异转化为电能的能力的指标。

虽然他们测试的纤维被切成厘米长，但研究人员说，没有理由设备不能利用实验室的优质纳米管纤维，这些纤维以连续长度缠绕。因此无论你在哪里测量它们，它们都具有同样非常高的导电性。

该项研究可以作为热电主动冷却新兴领域的有力候选者，并具有作为大热电功率因数和大热导率大规模热电器件应用的潜力。研究人员表明，纳米管已经存在 30 年了，在科学上，人们已经知道了很多，但为了制造真实世界的设备，仍需要宏观有序或晶体组装。他们提出并制作的纳米管样品类型将有很多应用的可能性。