巴克纸/铜组件的热电效应

抽象的

碳纳米管(CNTs)表现出优异的电学和热学性能，这些性能已用于多种设备组件，如由CNTs聚合物(也称为巴克纸(BP))制成的电极片。尽管如此，当单个碳纳米管随机组装成BP时，其性质会降低。通过这种方式，本研究研究了一个BP电极组装在一个活性面积为4.0 cm的铜电极上的热电效应²．该显微照片通过扫描电子显微镜和附聚的多壁碳纳米管，其渗透到滤纸的显示形态获得，形成了厚度为67.33 μ此外,m。室内室外进行接近来自热源的BP电极测试。Thus, the electrical responses in function of temperature variation show maximum thermovoltages of 9.0 mV and 40.73 mV from室内的和户外的分别测试。最后，在298 ~ 304 K范围内估计BP/铜电极阵列的平均塞贝克系数为35.34±6.0 mV/K。这些发现表明，这种组合将很容易应用于热电器件的概念。

1.介绍

热电技术是基于用热侧和冷侧电源转换之间的p型和n型材料的半导体结。一般情况下，半导体材料，诸如硅，砷化镓，和CdS显示在加热下的塞贝克系数（热电功率）和光响应[1- - - - - -3.］．如今，咬合元件被用作商业塞贝克材料，它显示的570的热电功率 μ热侧工作温度高达573 K时的V/K [4］．

另一方面，碳纳米管的热、电和光学特性吸引了工业界对其在电子设备(如传感器)中的应用的关注[5- - - - - -8、电源[9- - - - - -12，电池[13- - - - - -15］．许多研究表明，CNT的一维结构是有帮助的弹道输运，其中热导率是通过声子支配和电子和声子[之间发生的协同相互作用16- - - - - -18］．因此，杨等人。report that the multiwalled CNTs (MWCNTs) show an electric conductivity around 1.6 − 5 × 10^3.S/m (300k) [18］．在这个意义上说，Kim等人。show that an individual MWCNT, in the same temperature, presents a significant thermal conductivity of 3000 W/mK [19，比铜大得多[20.］．此外，单mwcnts显示的热电功率(TP)为80μV / K (19]，而对于其它类型的，MWNTC散料，在8.0〜20的勇气获得的TP μV/K，温度变化分别为328 ~ 958 K [21］．

研究表明，热电材料和有效设计对于将废热转化为电能非常重要[22］．Thermo-electrochemical cells based on BP of MWCNTs electrodes has been used in redox processes because of their high electrical conductivity and superficial area, in which the Seebeck coefficient corresponds to 1.4 mV/K [10］．在另一项研究中也获得了类似的结果，但使用碳纳米管气凝胶片作为热电材料进入电化学电池[12］．在其他方面，可以采用不同的设计来提高功率器件的性能，即在太阳能热光伏器件中集成垂直排列的多壁碳纳米管吸收器，转换效率最高达到3.2%，是同类器件的3倍[11］．与所有这些方法相同的是应用基于随机或定向MWCNTs的BP来增加TP。这些研究清楚地表明，组装在热电发电中是非常重要的。

在我们的研究中，我们设计了一个基于BP电极作为热侧，铜电极作为冷侧的热电器件，如图所示1(一)−1(c). BP是用浸渍到纤维素纤维中的MWCNTs制造的，后者作为废热吸收剂。对这种BP/铜夹层电容器配置进行了测试室内室外under variation of temperature, and a TP was measured from 298 K to 304 K.

2.实验的细节

2.1。Thermocell制造工艺

Functionalized MWCNTs with a purity of 99.80% were dispersed in isopropyl alcohol (1.0 g/L) under 40 kHz for 60 min at room temperature. After that, the alcohol was removed by filtration using filter paper (grammage of 80 g/m²，直径18.5 cm，孔径14μ米）和北里在真空下烧瓶中，如图2．To remove the solvent completely and obtain a dried BP, the material was placed in an oven for 1 h at 100°C.

将BP组装在铜电极上，并与聚乙烯醇(PVA)连接。因此，BP为正极，铜电极为负极，活性面积为4.0 cm²．At the end, a DC voltage of 2.0 V for 30 minutes was applied in the device in order to obtain the orientation of a dipole moment in the dielectric layer between BP and copper electrodes. Before thermoelectric tests, the device was completely discharged to avoid residual voltage on the measurement records.

2.2。形态特征及热电测试

采用20 kV VEGA3 SB-TESCAN扫描电子显微镜(SEM)对BP的俯视图和横截面形貌进行了表征。在5.40 mm和7.63 mm的工作距离下，采用二次电子模式进行扫描电镜显微观察。对于温度变化下的电测，采用数字万用表ET-2232 MINIPA两点法测量热电偶电压，并通过USB端口连接计算机。温度采集使用TD-955红外温度计。

热电测试发生内/在室温下在实验室外无/有火焰的方式作为热源，即，即如室内的/户外的分别测试。在里面户外的测试时，火焰放置在距离热电偶BP电极100厘米和20厘米的距离。通过BP电极上方距离20 cm处250 W功率灯的红外辐射发射得到TP的平均值。

3。结果与讨论

数字3.显示了BP的俯视图和横截面的SEM显微照片。图中在滤纸上观察到MWCNTs的随机扩散3(一个)，在顶部可以看到团聚的CNTs。在图3（b）， CNTs的渗透率接近40% (64.33μ的BP的米）的厚度为174.94 μm，即将CNTs浸渍到滤纸中形成支撑框架。因此，纸张的类型是决定BP得到的最终形态的一个重要变量。例如，Reis等人报道了在商业票据上产生的BP作为支撑物，但在我们的案例中情况不同，由于没有孔隙，CNTs只在表面吸收[23］．

在里面室内的test, the thermocell was subject to a room temperature of 30 ± 1.15°C, and it showed a thermovoltage of 7.2 to 9.0 mV, as shown in Figure4．注意，电压的变化与温度是线性相关的。此外，当热源从100 cm (i)到20 cm (ii)接近热电偶BP电极前部时，电压升高到4.0 mV左右。另一方面，当距离为20 cm时，电压在28mv左右增加，而热源温度从80°C (iii)增加到170°C (iv)，电压达到最大值40.73 mV。Kouklin等人也报告了类似的结果，其中热源发出的热辐射的变化与温度电压的峰值相关[24］．This phenomenon is explained by high-infrared absorption capacity of the CNTs, which cause a radiation trapping with multiple internal reflections into the array [25］．

数字5示出了图从thermocell设备室温（阶段I）和加热（阶段II和III），下提取其中热电参数图5（a）在第I阶段，BP电极与铜电极温差(ΔT开尔文)的温差电压保持在64 mV的稳定水平Tachieved a value of approximately 1.70 K, and the thermovoltage increased until 78 mV that corresponded to stage II, i.e., the infrared lamp was turned on, and the temperature on the BP electrode grew up from 300 K to 302 K, but after that saturation occurred (stage III), where the thermovoltage of 79 mV was remained constant. These results could be compared with usual materials applied as absorbers of waste heat, where a hot side of the BiTe elements was placed by Ag film, Si, and nanostructured black-Si, as shown in Table1．注意，BP /铜组件呈现比其他材料和其他参数的竞争数据的热电压更高。

通过比值Δ计算塞贝克系数或TPV/ΔT对应于在图中所示的内插的曲线图5（b）．The thermocell exhibited positive TP values dominated by p-type density carriers from BP electrode, where an average TP of 42.83 ± 4.76 mV/K and 32.84 ± 4.0 mV/K were extracted at room temperature and heating, respectively. These results were much greater than the TP of 1.4 mV/K obtained from thermo-electrochemical cells reported by Hu et al. [10和我等人[12］．这发生因为BP电极和铜电极之间PVA-纤维素的电介质层有助于电荷累积。因此，BP /铜组件操作为三明治电容器时的热激发促进了密度的携带的增加并且因此热电压的增加。

4。结论

总之，我们报道了thermocell的基于BP /铜组件，其中，所述BP电极用作热辐射的吸收器和作为BP和铜电极之间的介电PVA-纤维素的层的制造。该构造表现为一个三明治电容器，其中，所述吸收器浓缩热能充当热侧而铜电极是冷侧。有趣的装配有助于铺平热电装置，其中，所述纳米碳材料执行双重功能，即新的设计的方式，作为废热的吸收器和作为电荷供给层。Therefore, the total average TP of 35.34 ± 6.0 mV/K was estimated from 298 to 304 K. Moreover,室内室外为了研究热电偶在受控/真实条件下的热电响应，进行了测试，结果显示，在室温下温度为9.0 mV，在火焰前温度为40.73 mV。我们的结果表明，BP/铜组件可以应用于热电器件的新概念，如低成本的火灾传感器或热电偶。

数据可用性

用于支持本研究的结果的任何数据和信息将通过根据请求相应的作者提供。

利益冲突

作者声明本文的发表没有利益冲突。

致谢

保F. P.皮涅罗和路易莎M. P.费雷拉愿意提供资金支持表示衷心的感谢PROPESP /非制冷焦平面（PIBIC奖学金和物品收费）。作者承认LABNANO-AMAZON /非制冷焦平面网络，在这项工作中使用的设备的支持。

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