对齐的“金属”碳纳米管以更高的功率输出将热量转化为电能

时间：2021-09-04 10:52:12 来源：

这是该团队热电设备中对齐的金属碳纳米管的图示。温度梯度会导致电流流动。

东京都市大学的科学家已经使用对齐的金属碳纳米管制造了一种将热量转换为电能的设备（热电设备），其输出功率比随机网络中的纯半导体碳纳米管（CNT）要高。新器件绕开了半导体在电导率和电压之间的权衡取舍，大大胜过了同类产品。大功率热电设备可以为可穿戴电子设备等废热的更有效利用铺平道路。

热电设备可以直接将热量转化为电能。当我们考虑环境中的浪费热量，例如空调废气，车辆发动机甚至人体热量时，如果我们能够以某种方式从周围环境中清除这种能量并将其充分利用，那将是革命性的。这为可穿戴电子设备和光子学背后的思想提供了动力，可穿戴电子设备和光子学设备可以戴在皮肤上并由人体热量提供动力。人体加热灯和智能手表已经可以提供有限的应用。

对于纯半导体和金属CNT膜，功率因数与电导率的关系。金属碳纳米管的比例从左到右增加。一直到右侧的图对应于对齐的金属CNT膜。它们表现出比所有其他电影更高的功率。

当形成温度梯度时，从热电设备中提取的功率受设备的电导率和塞贝克系数（塞贝克系数）的影响，塞贝克系数表示以一定的温度差产生多少电压。问题在于，塞贝克系数和电导率之间需要权衡：当器件变得更导电时，塞贝克系数会下降。为了产生更多的动力，我们理想的情况是希望两者都得到改善。

半导体材料通常被认为是高性能热电设备的最佳选择。但是，由东京都大学柳木和宏教授领导的一个小组遇到了一个以“金属”碳纳米管形式出现的不太可能的英雄。与纯半导体CNT不同，他们发现它们可以同时提高金属CNT的电导率和塞贝克系数，从而打破了这两个关键数量之间的权衡。该团队继续表明，这些独特的特性来自于材料的一维金属电子结构。此外，它们能够对齐金属CNT的方向，获得的输出几乎是随机取向的纯半导体CNT膜的输出的五倍。

高性能热电元件不仅使我们能够利用体热为智能手机供电，潜在的生物医学应用还将确保它们在未来的日常应用中发挥重要作用。

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参考：“用金属碳纳米管解决热电权衡问题”，Yota Ichinose，Akari Yoshida，Kanako Horiuchi，Kengo Fukuhara，Natsumi Komatsu，Weilu Gao，Yohei Yomogida，Manaho Matsubara，Takahiro Yamamoto，Junichiro Kono和Kazuhiro Yanagi，2019年9月5日，Nano Letters.DOI：
10.1021 / acs.nanolett.9b03022

JSPS KAKENHI计划通过授予号JP17H06124，JP17H01069和JP18H01816以及JST CREST计划通过授予号JPMJCR17I5支持了这项工作。

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