nanopartícula Sb2Te3

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 5783 (2023) Citar este artículo

1091 Accesos

4 Altmetric

Detalles de métricas

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son materiales termoeléctricos prometedores debido a su flexibilidad y excelente durabilidad cuando se exponen al calor y a los productos químicos. Por lo tanto, se espera que se utilicen en fuentes de alimentación para varios sensores. Sin embargo, sus prestaciones termoeléctricas son inferiores a las de los materiales termoeléctricos inorgánicos. Para mejorar el rendimiento termoeléctrico manteniendo las excelentes características de los SWCNT, se propone un enfoque novedoso para formar capas termoeléctricas inorgánicas en las superficies del haz SWCNT mediante electrodeposición. Sintetizamos películas SWCNT que contienen nanopartículas de Sb2Te3 y las recubrimos con capas de Sb2Te3 electrodepositadas. Las nanopartículas de Sb2Te3 se sintetizaron mediante una reacción redox espontánea, que luego se agregaron a una solución de dispersión SWCNT y se produjeron películas mediante filtración al vacío. Con contenidos más altos de nanopartículas en las películas, las capas electrodepositadas de Sb2Te3 cubrieron completamente los haces SWCNT debido al aumento en la concentración de iones precursores cerca de la superficie del haz SWCNT, que a su vez fue el resultado de las nanopartículas fundidas. El rendimiento termoeléctrico mejoró y el factor de potencia máximo a aproximadamente 25 °C fue de 59,5 µW/(m K2), que fue 4,7 veces mayor que el de la película SWCNT normal. Estos hallazgos brindan información valiosa para diseñar y fabricar materiales termoeléctricos flexibles de alto rendimiento.

Los generadores termoeléctricos son dispositivos de recolección de energía prometedores. Producen energía eléctrica a través de la difusión de portadores en respuesta al flujo de calor producido por un gradiente de temperatura en los materiales termoeléctricos. El desarrollo generalizado de Internet de las cosas (IoT) ha facilitado el surgimiento de la tecnología de generadores termoeléctricos flexibles1,2,3,4. Esto se debe a que la tecnología IoT requiere una gran cantidad de sensores, y las fuentes de alimentación inalámbricas para los sensores que utilizan fuentes de calor ambiental son indispensables para la tecnología. Además, la flexibilidad favorece la instalación de generadores en una variedad de fuentes de calor, como cuerpos humanos y objetos de superficie curva5,6,7,8.

En general, los materiales termoeléctricos flexibles incluyen materiales orgánicos conductores9,10,11, nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT)12,13,14 y sus compuestos15,16,17. Entre ellos, los SWCNT son excelentes como fuentes de alimentación para sensores IoT porque exhiben una excelente durabilidad química y térmica. Aunque los SWCNT demuestran excelentes características para generadores termoeléctricos flexibles, su rendimiento termoeléctrico es inferior al de los calcogenuros inorgánicos como las aleaciones basadas en Bi2Te318. El rendimiento termoeléctrico se expresa mediante la figura de mérito adimensional ZT = σS2T/κ y el factor de potencia PF = σS2, donde σ, S, T y κ representan la conductividad eléctrica, el coeficiente de Seebeck, la temperatura absoluta y la conductividad térmica, respectivamente. .

Para aumentar el rendimiento termoeléctrico, un enfoque efectivo es combinar los SWCNT con materiales termoeléctricos inorgánicos. Jin et al. utilizó una técnica de pulverización catódica para fabricar un material termoeléctrico flexible que comprende nanocristales de telururo de bismuto (Bi2Te3) altamente ordenados anclados en una red de nanotubos de carbono de pared simple; este material exhibió un alto coeficiente de Seebeck19. Wu et al.20 prepararon películas delgadas híbridas de SWCNT de tipo p y nanoplacas de telururo de antimonio (Sb2Te3), que exhibían altos factores de potencia, mediante la combinación de filtración al vacío y recocido. Además de estos estudios, se han propuesto excelentes materiales termoeléctricos combinando CNT con compuestos inorgánicos y orgánicos21,22. En nuestro estudio anterior, preparamos una solución de dispersión SWCNT en nanoplacas de Bi2Te3 mediante una síntesis solvotérmica y producimos películas flexibles mediante fundición por goteo, lo que resultó en un aumento del rendimiento termoeléctrico23,24,25.

Estos estudios pioneros nos motivan a aumentar aún más el rendimiento termoeléctrico mediante la combinación de SWCNT y calcogenuros inorgánicos. Un enfoque favorable es recubrir la superficie del haz SWCNT con un calcogenuro inorgánico mediante electrodeposición26,27,28. Dado que la electrodeposición es un proceso húmedo, no solo la superficie de la película SWCNT sino también el interior de la película pueden ser electrodepositados por el electrolito que penetra en los espacios de la película. Sin embargo, es un desafío depositar efectivamente la capa inorgánica en la superficie del paquete SWCNT29. Esto se debe a que las películas de SWCNT en forma de haz exhibieron una baja conductividad eléctrica en comparación con los metales30,31,32, y varios iones precursores en el electrolito no fueron atraídos por la superficie del haz de SWCNT. Por lo tanto, es necesario explorar diferentes métodos para realizar la electrodeposición en la superficie del haz SWCNT33.

En este estudio, se realizó un enfoque novedoso para aumentar el rendimiento termoeléctrico de las películas SWCNT flexibles. Mezclamos nanopartículas de Sb2Te3 con una solución de dispersión SWCNT; posteriormente, preparamos las películas de tipo p mediante el método de fundición por caída. Sb2Te3 es un calcogenuro de tipo p tradicional, que exhibe un alto rendimiento termoeléctrico cerca de 300 K34,35,36, y las nanopartículas de Sb2Te3 se sintetizaron a través de una reacción redox espontánea37. Este método utiliza la corrosión por picadura, que es causada por la acción de los iones de cloruro en la superficie del sustrato, así como el reemplazo galvánico, que es causado por la diferencia en el potencial de reducción estándar entre los materiales. Las capas de Sb2Te3 de tipo p se formaron en las películas de nanocompuestos mediante el método de electrodeposición38. Ajustamos la cantidad de nanopartículas Sb2Te3 en las películas SWCNT para investigar las películas con alto rendimiento termoeléctrico.

La Figura 1 muestra un esquema del proceso de fabricación de las películas SWCNT que contienen nanopartículas de Sb2Te3 y el recubrimiento de las capas electrodepositadas de Sb2Te3. En primer lugar, las nanopartículas se sintetizaron mediante la reacción redox espontánea utilizando un sustrato de aluminio (50 mm × 100 mm, 2 mm de espesor). Antes de la síntesis de nanopartículas, para eliminar cualquier capa de óxido del sustrato de aluminio, se colocó en una solución de NaOH 1 M (Fujifilm Wako Pure Chemical Co.) durante 5 min, seguido de limpieza en agua desionizada (DI) (es decir, > 18 MΩ). La reacción redox espontánea se llevó a cabo entre la placa de aluminio de sacrificio y un electrolito que contenía Sb2O3 0,02 M (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.), TeO2 0,04 M (Kojundo Chemical Laboratory Co., Ltd.) y HCl 4,0 M (Fujifilm Wako Pure Chemical Co.) durante 40 min a aproximadamente 25 °C. Después de la reacción, las nanopartículas se lavaron con agua DI, se filtraron y se secaron al vacío a 60 °C durante 12 h.

Diagrama esquemático de los procesos de fabricación: síntesis de nanopartículas, preparación de películas de nanocompuestos y electrodeposición.

Para la preparación de la película, se utilizaron como material de partida SWCNT sintetizados por el método de supercrecimiento (SG-CNT) (ZEONANO SG101, ZEON Co.)39. Los SG-CNT en polvo (80 mg) se dispersaron en 40 ml de etanol para preparar una solución de dispersión de SWCNT con una concentración de 0,25 % en peso y se aseguró la mezcla homogeneizada utilizando un homogeneizador ultrasónico (SONICS 85, AZONE Co.). A continuación, las nanopartículas fabricadas (5, 10, 50 y 100 mg) se agregaron a la solución de dispersión de SWCNT y luego se mezclaron con el homogeneizador ultrasónico. Las películas de nanocompuestos se prepararon mediante un método de filtración al vacío. Se colocó un filtro de membrana (PTFE, 90 mm de diámetro: ADVANTEC) en un portafiltros en una botella de succión y la solución de dispersión se filtró reduciendo la presión en la botella de succión usando una bomba rotatoria. El volumen total de la solución de dispersión de SWCNT que contiene nanopartículas se vertió gota a gota sobre el filtro y se aspiró durante 1 h para producir las películas de nanocompuestos con un diámetro de 80 mm. Después de secar al aire durante 24 h, las películas de nanocompuestos (espesor = 100 µm) se retiraron del filtro de membrana.

Para la electrodeposición, las capas de Sb2Te3 se prepararon a aproximadamente 25 °C mediante electrodeposición potenciostática utilizando una celda estándar de tres electrodos. Los electrolitos contenían mezclas de Sb2O3 1,88 mM, TeO2 0,63 mM y HCl 0,58 M diluidos con agua DI. El electrodo de trabajo (área del electrodo: 7,8 cm2) fue la película de nanocompuesto, que se fijó a una placa de acero inoxidable con cinta de poliimida. Como contraelectrodo se utilizó una malla de titanio recubierta de platino sobre una placa de titanio (área del electrodo: 7,8 cm2). Como electrodo de referencia se utilizó un electrodo de Ag/AgCl (KCl saturado). El voltaje del electrodo se fijó en −0,01 V utilizando un potenciostato/galvanostato (HA-151B, Hokuto Denko) según nuestro informe anterior40, y la electrodeposición se realizó durante 1 h.

La estructura precisa de las nanopartículas se analizó mediante microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM, JEOL JEM-ARM200F), difracción de electrones de área seleccionada (SAED) y mapeo elemental de espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX). Las propiedades cristalográficas de las nanopartículas y películas se evaluaron por difracción de rayos X (XRD; Mini Flex II, Rigaku) ​​usando radiación Cu-Kα (λ = 0.154 nm en el rango 2θ de 20° a 70°). Las microestructuras de las películas se analizaron con microscopía electrónica de barrido de emisión de campo (FE-SEM, Hitachi S-4800). Las composiciones químicas de las nanopartículas y las películas de nanocompuestos se determinaron con un microanalizador de sonda electrónica (EPMA, Shimadzu EPMA-1610). Las composiciones de las muestras se calibraron utilizando el programa ZAF4 instalado con el EPMA-1610.

La conductividad eléctrica en el plano se midió a aproximadamente 25 °C mediante un método de sonda de cuatro puntos con una precisión de ± 5 %. El coeficiente de Seebeck en el plano de las películas de nanocompuestos se midió a aproximadamente 25 °C con una precisión de ± 7 %41. Se utilizaron dos termopares tipo K de 0.1 mm de diámetro, los cuales fueron presionados en el centro de la película. La distancia entre los termopares fue de 13 mm. Un extremo de la película estaba conectado a un disipador de calor y el otro extremo a un calentador. El coeficiente de Seebeck se determinó como la relación entre la diferencia de potencial (ΔV) a lo largo de la película y la diferencia de temperatura. El factor de potencia se estimó a partir de la conductividad eléctrica medida y el coeficiente de Seebeck con una precisión de ± 10 %.

Las nanopartículas de Sb2Te3 se sintetizaron mediante una reacción redox espontánea, en la que se sumergió una placa de aluminio en una solución de ácido clorhídrico que contenía iones HTeO2+ y SbO+. La diferencia en el potencial redox para Al3+/Al0 (E0 = − 1,676 V frente a NHE) es más catódica que para SbO+/Sb0 (E0 = + 0,212 V frente a NHE) y HTeO2+/Te0 (E0 = + 0,353 V frente a NHE). NHE)42. El desplazamiento galvánico de la placa de aluminio a las nanopartículas de Sb2Te3 se puede representar de la siguiente manera:

Tenga en cuenta que la formación directa del compuesto intermetálico Sb2Te3 es termodinámicamente favorable a la formación de Sb0 y Te0 porque la energía libre de Gibbs de la formación de Sb2Te3 es negativa (es decir, ΔGf0 = − 57,5 ​​kL/mol)42. En la Fig. 2a, la micrografía TEM muestra que se aglomeran partículas de forma irregular con un tamaño inferior a 100 nm. En la Fig. 2b, la imagen HR-TEM de la superficie cercana de las nanopartículas muestra que las nanopartículas exhiben una fase policristalina con límites de grano de monocristales de tamaño nanométrico, que corresponde al patrón SAED en el recuadro. No se observan franjas reticulares en la superficie superior de las partículas (área A), lo que indica la formación de una capa amorfa. En la Fig. 2c, el patrón XRD de las nanopartículas incluye los picos que se originan en Sb2Te3 y Te, correspondientes al patrón SAED en el recuadro de la Fig. 2b. El mapeo elemental y la composición atómica de las nanopartículas se muestran en la Fig. 2d. En el mapeo elemental, el antimonio y el telurio se distribuyen casi uniformemente dentro de las partículas. Los porcentajes atómicos de antimonio y telurio son 33,1 y 66,9 at%, respectivamente. Esta relación de composición atómica se desvía de la relación estequiométrica (Sb/Te = 40/60) en aproximadamente un 7 % hacia el lado rico en Te debido a la presencia de una fase cristalina de Te además de la fase cristalina de Sb2Te3.

Imágenes TEM de nanopartículas de Sb2Te3 preparadas mediante una reacción redox espontánea. (a) Nanopartículas Sb2Te3 típicas, (b) patrón SAED correspondiente e imagen HR-TEM de la nanopartícula en (a), (c) patrón XRD de las nanopartículas, y (d) composición atómica y mapeo elemental.

A modo de comparación, sintetizamos nanopartículas de Sb2Te3 a través de una reacción redox espontánea utilizando placas de níquel y cobre. Las características de las nanopartículas sintetizadas se proporcionan en Información complementaria (Fig. S1). Como resultado, las composiciones atómicas de las nanopartículas de las placas de níquel y cobre determinadas por EPMA difieren significativamente de las proporciones estequiométricas: Sb/Te = 3.2/96.8 at% para la placa de níquel y Sb/Te = 12.2/87.8 at% para la placa de cobre. Esto se debe a que el níquel y el cobre son menos propensos a la corrosión por picaduras por iones de cloruro43,44 y, por lo tanto, la reacción de desplazamiento galvánico no está activa.

La Figura 3 muestra las imágenes SEM de las películas de nanocompuestos sin y con las nanopartículas. Las películas SWCNT sin las nanopartículas están compuestas de paquetes SWCNT entrelazados de diferentes diámetros (Fig. 3a). Con 5 mg de nanopartículas, las nanopartículas no son visibles en el área de análisis (Fig. 3b). Sin embargo, a 10 mg, se observan nanopartículas agregadas atrapadas entre los paquetes SWCNT (Fig. 3c). Aumentar aún más el contenido de nanopartículas aumenta el tamaño de los agregados de nanopartículas (Fig. 3d, e). Las Figuras 3f–j muestran la electrodeposición realizada en películas de nanocompuestos de contenido variable de nanopartículas (0–100 mg, respectivamente). En la Fig. 3f, no hay capas de Sb2Te3 en la superficie del paquete de la película, aunque se realizó la electrodeposición. Por lo tanto, en ausencia de nanopartículas dentro de las películas, es difícil formar una capa electrodepositada sobre las películas. Con 5 mg de nanopartículas (Fig. 3g), aparecieron pequeñas espinas en la superficie del haz SWCNT. La imagen ampliada en el recuadro muestra que los cristales angulares crecieron escasamente en la superficie. Con un contenido de nanopartículas de 10 mg, el tamaño y la densidad de los cristales angulares aumentan (Fig. 3h). A 50 mg, los cristales crecen aún más y cubren completamente la superficie del haz SWCNT (Fig. 3i), mientras que a 100 mg, la forma del cristal cambia a una estructura similar a una flor fina (Fig. 3j), indicativo de crecimiento dendrítico. Las capas de electrodeposición se forman no solo en la superficie de la película SWCNT, sino también en el interior de la película.

Imágenes SEM de superficie de películas SWCNT con diferentes cantidades de nanopartículas y excluyendo la electrodeposición: (a) sin nanopartículas, (b) 5 mg, (c) 10 mg, (d) 50 mg y (e) 100 mg. Imágenes SEM de superficie de películas SWCNT con diferentes cantidades de nanopartículas y con electrodeposición: (f) sin nanopartículas, (g) 5 mg, (f) 10 mg, (i) 50 mg y (j) 100 mg.

La Tabla 1 muestra las composiciones atómicas de las películas de nanocompuestos con contenido variable de nanopartículas después de la electrodeposición. El antimonio y el telurio no se detectan en la película sin las nanopartículas. Con un contenido de nanopartículas de 5 a 100 mg, la composición atómica de las películas de nanocompuestos es casi constante en Sb: 24 ± 1 at% y Te: 76 ± 1 at%, a pesar de las grandes diferencias en el tamaño y la forma de los cristales de las películas. Esto se debe a que la composición atómica de las películas de aleación depende principalmente del voltaje aplicado durante la electrodeposición45,46. Por lo tanto, aunque la composición atómica de las películas se desvió de la relación estequiométrica (Sb: 40 at% y Te: 60 at%), se formó una capa de electrodeposición en la superficie del paquete SWCNT al agregar nanopartículas a la película. Además, la estructura de la capa electrodepositada se ajustó cambiando el contenido de nanopartículas. Para evaluar la homogeneidad de la composición de las películas, se proporcionan mapas EDS en Información complementaria (Fig. S2). Los mapas EDS mostraron que el antimonio y el telurio se depositaron uniformemente en la superficie de los SWCNT y que los SWCNT estaban menos expuestos. Además, el patrón XRD de la película nanocompuesta típica que contiene 10 mg de nanopartículas con electrodeposición se proporciona en Información complementaria (Fig. S3).

Aquí, discutimos el mecanismo de crecimiento de cristales de las capas electrodepositadas en las películas SWCNT que contienen nanopartículas. En informes anteriores, los cristales de Bi2Te3 se cultivaron en superficies CNT mediante el proceso de pulverización catódica y la síntesis solvotérmica19,24. Además, se depositaron capas delgadas sobre una superficie SWCNT ajustando la condición de la superficie de las películas SWCNT29. Estos resultados sugieren que las capas de calcogenuros inorgánicos pueden crecer en la superficie de CNT mediante electrodeposición en condiciones apropiadas. Los factores clave de la electrodeposición son la concentración de iones alrededor de los SWCNT y la densidad de corriente47. La cantidad de químicos utilizados durante la electrodeposición fue la misma en todas las muestras; sin embargo, la concentración de los iones precursores alrededor de los SWCNT aumenta a medida que aumenta el contenido de nanopartículas en la película porque las nanopartículas se disuelven cuando se exponen a HCl diluido. Como resultado, la densidad de corriente aumenta como se muestra en la Información complementaria (Tabla S1). Por lo tanto, en el caso de la película SWCNT sin nanopartículas, los cristales de Sb2Te3 no crecen porque las densidades de los núcleos de Sb y Te son demasiado bajas, y los cristales posiblemente se vuelvan a fundir antes de que el tamaño del cristal alcance el radio crítico del núcleo48. En presencia de nanopartículas, la concentración de iones alrededor de los SWCNT y la densidad de corriente que pasa a través de la película aumentan y promueven el crecimiento de cristales. Sin embargo, cuando la concentración de iones y la densidad de corriente son demasiado altas, se produce un crecimiento dendrítico47, como se muestra en la Fig. 3j.

La Figura 4 muestra las propiedades termoeléctricas en el plano de las películas de nanocompuestos en función del contenido de nanopartículas. En la Fig. 4a, la conductividad eléctrica de la película SWCNT normal (sin nanopartículas y sin electrodeposición) es de 42 S/cm. A medida que aumenta el contenido de nanopartículas, la conductividad eléctrica de la película de nanocompuestos, excluyendo la electrodeposición, aumenta ligeramente, lo que indica que las nanopartículas llenan los espacios entre los paquetes SWCNT. La conductividad eléctrica de la película de nanocompuesto con 100 mg de nanopartículas es de 78 S/cm, un 86 % más alta que la de la película SWCNT normal. El aumento de la conductividad eléctrica se debe a las nanopartículas entre los haces SWCNT que sirven para aumentar las rutas de corriente. Por otro lado, al realizar la electrodeposición sobre las películas que contienen las nanopartículas, la conductividad eléctrica de las películas se ve significativamente afectada por la cantidad de nanopartículas. Con un contenido de nanopartículas de 5 mg y electrodeposición, la conductividad eléctrica es de 179 S/cm, que es tres veces mayor que la de la película electrodepositada sin nanopartículas. A un mayor contenido de nanopartículas, la conductividad eléctrica aumenta aún más. A 100 mg, la conductividad eléctrica alcanza los 322 S/cm, que es 5,6 veces mayor que la de la película SWCNT electrodepositada sin nanopartículas. Por lo tanto, la conductividad eléctrica aumenta significativamente por el mayor espesor de la capa electrodepositada debido a la mayor cantidad de nanopartículas.

Propiedades termoeléctricas en plano de películas SWCNT con diferentes cantidades de nanopartículas y con electrodeposición y sin electrodeposición. (a) conductividad eléctrica, (b) coeficiente de Seebeck y (c) factor de potencia.

En la Fig. 4b, todas las películas exhiben una propiedad de tipo p debido al coeficiente de Seebeck positivo. El coeficiente de Seebeck de la película de nanocompuestos, excluyendo la electrodeposición, oscila entre 55 y 60 µV/K y es independiente del contenido de nanopartículas. Por otro lado, al realizar la electrodeposición sobre las películas que contienen las nanopartículas, el coeficiente de Seebeck de las películas disminuye. Con un contenido de nanopartículas de 5 mg, la película electrodepositada exhibe un coeficiente de Seebeck de 40 µV/K, que permanece aproximadamente igual incluso con contenidos de nanopartículas más altos. La disminución del coeficiente de Seebeck en comparación con las películas SWCNT normales se debe a que la capa de Sb2Te3 electrodepositada presenta un coeficiente de Seebeck bajo debido a la desviación de la proporción estequiométrica38. Dado que la desviación de la relación estequiométrica es constante independientemente de la cantidad de nanopartículas, el coeficiente de Seebeck es en gran medida constante, mientras que existen diferencias en el espesor y la morfología superficial de las capas electrodepositadas.

En la Fig. 4c, cuando no se realiza la electrodeposición, el factor de potencia aumenta ligeramente a medida que aumenta la cantidad de nanopartículas. El factor de potencia de la película de nanocompuesto con 100 mg de nanopartículas es de 25,1 µW/(m K2), que es dos veces mayor que el de la película SWCNT normal. Por otro lado, cuando la electrodeposición se realiza sobre películas que contienen nanopartículas, el factor de potencia de las películas aumenta considerablemente. En particular, a 100 mg de nanopartículas con electrodeposición, el factor de potencia es de 59,5 µW/(m K2), que es 2,4 y 4,7 veces mayor que el de la película nanocompuesta correspondiente sin electrodeposición y la película SWCNT normal, respectivamente. Aquí, comparamos el factor de potencia en este estudio con el que se muestra en la literatura mencionada anteriormente, donde se prepararon películas delgadas híbridas de SWCNT y nanoplacas de Sb2Te3 mediante filtración al vacío, seguida de recocido20. Aunque no se realizó recocido, el factor de potencia máximo en este estudio (59,5 µW/(m K2)) fue comparable al valor máximo en la literatura (55 µW/(m K2)).

Por lo tanto, se observa una mejora significativa en el rendimiento termoeléctrico de las películas SWCNT flexibles que contienen nanopartículas de Sb2Te3 sujetas a electrodeposición de capas de Sb2Te3. Para mejorar aún más el rendimiento de las películas de nanocompuestos, se debe aumentar el coeficiente de Seebeck. Un enfoque factible es optimizar la electrodeposición para formar capas de Sb2Te3 de proporción estequiométrica. En este estudio, no se midió la conductividad térmica de las películas de nanocompuestos y, por lo tanto, calculamos la conductividad térmica de las películas de nanocompuestos en función de las respectivas conductividades térmicas de las películas SWCNT, las nanopartículas de Sb2Te3 y las películas electrodepositadas de Sb2Te3. La conductividad térmica calculada se proporciona en Información complementaria (Tabla S2). En el futuro, la conductividad térmica calculada debe verificarse midiendo la conductividad térmica de las películas de nanocompuestos, y las propiedades termoeléctricas deben analizarse con más detalle.

Aquí, el rendimiento termoeléctrico de las películas SWCNT flexibles se mejoró al contener las nanopartículas de Sb2Te3 sintetizadas a través de una reacción redox espontánea en las películas SWCNT, que fue seguida por la electrodeposición de la capa de Sb2Te3 en la superficie del paquete SWCNT. Cuando las nanopartículas no estaban contenidas en la película SWCNT, las capas de Sb2Te3 no se formaron mediante la electrodeposición. Por el contrario, las nanopartículas estaban contenidas en las películas de SWCNT y los cristales de Sb2Te3 crecieron en la superficie del haz de SWCNT, aunque la composición atómica de la capa electrodepositada se desvió de la proporción estequiométrica. El tamaño del cristal y la densidad del Sb2Te3 electrodepositado aumentaron con un aumento en la cantidad de nanopartículas. Además, el aumento de la concentración de iones precursores alrededor de los SWCNT a través de la fusión de nanopartículas fue la clave para el crecimiento de los cristales, lo que condujo al aumento de la densidad de corriente. El factor de potencia máximo de las películas SWCNT con electrodeposición de Sb2Te3 fue de 59,5 µW/(m K2), que fue 4,7 veces mayor que el de la película SWCNT normal. El método propuesto se puede extender a varios otros materiales de calcogenuro-SWCNT, lo que demuestra un potencial considerable para fabricar generadores termoeléctricos utilizando películas termoeléctricas flexibles de tipo p y n con un rendimiento excelente.

Los autores declaran que la mayoría de los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en el documento y sus archivos de información complementaria. El resto de los datos generados durante y/o analizados durante el presente estudio están disponibles del autor correspondiente a petición razonable.

Du, Y., Xu, J., Paul, B. & Eklund, P. Materiales y dispositivos termoeléctricos flexibles. aplicación Mate. Hoy 12, 366–388 (2018).

Artículo Google Académico

Chiba, T., Amma, Y. y Takashiri, M. Generadores termoeléctricos de nanotubos de carbono flotantes de agua libre de fuente de calor. ciencia Rep. 11, 14707 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wang, Y. et al. Materiales termoeléctricos flexibles y generadores: Desafíos e Innovaciones. Adv. Mate. 31, 1807916 (2019).

Artículo Google Académico

Zhang, L., Shi, X.-L., Yang, Y.-L. y Chen, Z.-G. Materiales y dispositivos termoeléctricos flexibles: de los materiales a las aplicaciones. Mate. Hoy 46, 62–108 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Parque, H. et al. Cosecha de energía usando termoelectricidad para IoT (Internet de las Cosas) y sensores E-skin. J. física. Energía 1, 042001 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kobayashi, A., Konagaya, R., Tanaka, S. y Takashiri, M. Estructura optimizada de generadores termoeléctricos tubulares que utilizan películas delgadas de tipo n Bi2Te3 y tipo p de Sb2Te3 sobre un sustrato flexible para la recolección de energía. Sens. Actuadores A: Phys. 313, 112199 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Toan, NV, Tuoi, TTK, Hieu, NV & Ono, T. Generador termoeléctrico de alta densidad de integración para dispositivos electrónicos autoalimentados portátiles y vestibles. Convertidores de energía. Administrar 245, 114571 (2021).

Artículo Google Académico

Norimasa, O., Chiba, T., Hase, M., Komori, T. y Takashiri, M. Mejora de las propiedades termoeléctricas de películas delgadas flexibles de Bi2Te3 en estados doblados durante la deposición por pulverización catódica y el recocido postérmico. J. Aleaciones Compd. 898, 162889 (2022).

Artículo CAS Google Académico

Chen, Y., Zhao, Y. & Liang, Z. Soluciones termoeléctricas orgánicas procesadas: Hacia módulos termoeléctricos flexibles. Entorno Energético. ciencia 8, 401–422 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Russ, B., Glaudell, A., Urban, JJ, Chabinyc, ML y Segalman, RA Materiales termoeléctricos orgánicos para la recolección de energía y el control de la temperatura. Nat. Rev.Mater. 1, 16050 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Seki, Y., Takahashi, M. y Takashiri, M. Efectos de diferentes electrolitos y espesores de película sobre las propiedades estructurales y termoeléctricas de películas de poli(3,4-etilendioxitiofeno) electropolimerizadas. RSC Avanzado. 9, 15957–15965 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ichinose, Y. et al. Resolviendo el problema de la compensación termoeléctrica con nanotubos de carbono metálicos. Nano Lett. 19, 7370–7376 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Seki, Y., Nagata, K. & Takashiri, M. Fácil preparación de películas de nanotubos de carbono termoeléctricos de pared simple tipo n estables al aire con tensioactivos aniónicos. ciencia Rep. 10, 8104 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Nonoguchi, Y. et al. Conversión sistemática de nanotubos de carbono de pared simple en materiales termoeléctricos de tipo n mediante dopantes moleculares. ciencia Rep. 3, 3344 (2013).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Toshima, N. Progreso reciente de materiales termoeléctricos orgánicos e híbridos. sintetizador Reunió. 225, 3–21 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Seki, Y. & Takashiri, M. Bicapas independientes de nanotubos de carbono de pared simple fundidos por caída y poli (3,4-etilendioxitiofeno) electropolimerizado para la recolección de energía termoeléctrica. org. Electrón. 76, 105478 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Deya, A., Bajpaib, OP, Sikdera, AK, Chattopadhyayb, S. y Shafeeuulla Khana, MA Avances recientes en nanocompuestos de polímeros termoeléctricos basados ​​en CNT/grafeno: un movimiento competente hacia la recolección de energía residual. Renovar. Sostener. Energy Rev. 53, 653–671 (2016).

Artículo Google Académico

Scherrer, H. & Scherrer, S. CRC Handbook of thermoelectrics, en: DM Rowe (Ed.), CRC Press LLC, págs. 211–238 (1995).

Jin, Q. et al. Termoeléctrico Bi2Te3 estructurado en capas flexibles sobre un andamio de nanotubos de carbono. Nat. Mate. 18, 62–68 (2019).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wu, B. et al. Dispositivos termoeléctricos flexibles de alto rendimiento basados ​​en películas híbridas completamente inorgánicas para recolectar calor de bajo grado. Adv. Función Mate. 29, 1900304 (2019).

Artículo Google Académico

Buks, K. et al. Mecanismos de crecimiento y propiedades termoeléctricas relacionadas de redes híbridas innovadoras fabricadas por deposición directa de Bi2Se3 y Sb2Te3 en nanotubos de carbono de paredes múltiples. Mate. Hoy Energía 18, 100526 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Kumanek, B. et al. Mejora de las propiedades termoeléctricas de los nanotubos de carbono de pared simple utilizando compuestos de haluro a temperatura ambiente y superior. ciencia Rep. 11, 8649 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hosokawa, Y. & Takashiri, M. Impacto de la cantidad de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) en películas nanocompuestas de nanoplacas Bi2Te3/SWCNT monocristalinas mediante el método de fundición por goteo. Jpn. Aplicación J. física 58, SDDG04 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Yabuki, H., Yonezawa, S., Eguchi, R. & Takashiri, M. Películas termoeléctricas flexibles formadas utilizando nanocompuestos integrados con nanotubos de carbono de pared simple y nanoplacas Bi2Te3 mediante síntesis solvotérmica. ciencia Rep. 10, 17031 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Chiba, T., Yabuki, H. & Takashiri, M. Alto rendimiento termoeléctrico de películas de nanocompuestos flexibles basadas en nanoplacas Bi2Te3 y nanotubos de carbono seleccionados mediante ultracentrifugación. ciencia Rep. 13, 3010 (2023).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Matsuoka, K., Okuhata, M. y Takashiri, M. Electrodeposición de doble baño de películas delgadas multicapa Bi-Te/Bi-Se de tipo n. J. Aleaciones Compd. 649, 721–725 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Yamamuro, H., Hatsuta, N., Wachi, M., Takei, Y. y Takashiri, M. Combinación de procesos de electrodeposición y transferencia para generadores termoeléctricos de película delgada flexible. Recubrimientos 8, 22 (2018).

Artículo Google Académico

Takashiri, M., Makioka, T. y Yamamuro, H. Promoción del crecimiento de cristales en películas electrodepositadas de Bi2Te3 sin microporos utilizando capas de semillas de Bi2Te3 depositadas sobre un sustrato de vidrio. J. Aleaciones Compd. 764, 802–808 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Shimizu, M., Shimizu, S., Katada, A., Uejima, M. y Arai, S. Preparación electroquímica de papel compuesto independiente de nanotubos de carbono/Sn. Mate. Letón. 220, 182–185 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Chung, S.-H., Kim, DH, Kim, H., Kim, H. y Jeong, SW Propiedades termoeléctricas de PEDOT: PSS y películas compuestas SWCNT tratadas con ácido. Mate. Hoy Comun. 23, 100867 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Amma, Y. et al. Estabilidad ultralarga en el aire de películas de nanotubos de carbono de tipo n con baja conductividad térmica y generadores termoeléctricos totalmente de carbono. ciencia Rep. 12, 21603 (2022).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Hong, CT et al. Dopaje eficaz mediante revestimiento por rotación y factores de potencia termoeléctrica mejorados en películas híbridas SWCNT/P3HT. J.Mater. química A 3, 12314–12319 (2015).

Artículo CAS Google Académico

Arai, S. Fabricación de compuestos de nanotubos de metal/carbono por deposición electroquímica. Electroquímica 2, 563–589 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Inamoto, T. & Takashiri, M. Estudio experimental y de primeros principios de las propiedades de transporte electrónico de películas delgadas de Bi2Te3 tensadas sobre un sustrato flexible. Aplicación J. física 120, 125105 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Khumtong, T., Sakulkalavek, A. & Sakdanuphab, R. Modelado empírico y optimización de la temperatura de precalentamiento y el caudal de Ar utilizando la metodología de superficie de respuesta para películas delgadas estequiométricas de Sb2Te3 preparadas por pulverización catódica de magnetrón de RF. J. Aleaciones Compd. 715, 65–72 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Sasaki, Y. & Takashiri, M. Efectos del espesor de la capa intermedia de Cr sobre las propiedades adhesivas, estructurales y termoeléctricas de las películas delgadas de telururo de antimonio depositadas por pulverización catódica con magnetrón de radiofrecuencia. Películas sólidas finas 619, 195–201 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Sun, Y., Mayers, BT y Xia, Y. Reacción de reemplazo comprometida con la plantilla: un enfoque de un solo paso para la síntesis a gran escala de nanoestructuras metálicas con interiores huecos. Nano Lett. 2, 481–485 (2002).

Artículo ADS CAS Google Académico

Hatsuta, N., Takemori, D. y Takashiri, M. Efecto del recocido térmico en las propiedades estructurales y termoeléctricas de películas delgadas de telururo de antimonio electrodepositadas. J. Aleaciones Compd. 685, 147–152 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Hata, K. et al. Síntesis altamente eficiente asistida por agua de nanotubos de carbono de pared simple libres de impurezas. Ciencia 306, 1362–1364 (2004).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Yamamuro, H. & Takashiri, M. Generación de energía en generadores termoeléctricos de película delgada tipo pendiente por el simple contacto de una fuente de calor. Recubrimientos 9, 63 (2019).

Artículo Google Académico

Kudo, S., Tanaka, S., Miyazaki, K., Nishi, Y. & Takashiri, M. Análisis anisotrópico de películas delgadas de telururo de bismuto nanocristalino tratadas por irradiación de haz de electrones homogéneos. Mate. Trans. 58, 513–519 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Jung, H. & Myung, NV Electrodeposición de películas delgadas de telururo de antimonio de baños ácidos de nitrato-tartrato. Electrochim. Acta 56, 5611–5615 (2011).

Artículo CAS Google Académico

Qin, L., Lian, J. y Jiang, Q. Efecto del tamaño del grano sobre el comportamiento frente a la corrosión del Ni nanocristalino a granel electrodepositado. Trans. Met no ferroso. Soc. China 20, 82–89 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Alfantazi, AM, Ahmed, TM & Tromans, D. Comportamiento de corrosión de aleaciones de cobre en medios de cloruro. Mate. Des. 30, 2425–2430 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Takahashi, M., Kojima, M. & Sato, S. Propiedades eléctricas y termoeléctricas de películas de telururo de bismuto electrodepositadas (Bi2Te3). Aplicación J. física 96, 5582 (2004).

Artículo ADS CAS Google Académico

Miyazaki, Y. & Kajitani, T. Preparación de películas Bi2Te3 por electrodeposición. J. Cryst. Crecimiento 229, 542–546 (2001).

Artículo ADS CAS Google Académico

Yamaguchi, M., Yamamuro, H. y Takashiri, M. Características de películas delgadas de telururo de bismuto electrodepositadas con diferente crecimiento de cristales mediante el ajuste de la temperatura y la concentración del electrolito. actual Apl Phys. 18, 1513-1522 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Chernov, AA Cristalografía moderna III (Springer-Verlag, 1984).

Libro Google Académico

Descargar referencias

Los autores desean agradecer a Zeon Corporation por proporcionar SWCNT y a J.-Y. Park, T. Chiba y K. Sato de la Universidad de Tokai por brindar apoyo experimental.

Departamento de Ciencia de los Materiales, Universidad de Tokai, Hiratsuka, Kanagawa, 259-1292, Japón

Rikuo Eguchi, Koki Hoshino y Masayuki Takashiri

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

RE: Conservación de datos; análisis formal; investigación; metodología; papeles/escritura—borrador original. KH: Investigación; metodología. MT: conceptualización; curación de datos; administración de proyecto; recursos; supervisión; validación; papeles/escritura—borrador original; redacción—revisión y edición.

Correspondencia a Masayuki Takashiri.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Eguchi, R., Hoshino, K. & Takashiri, M. Películas de nanotubos de carbono de pared simple que contienen nanopartículas de Sb2Te3 recubiertas con capas electrodepositadas de Sb2Te3 para aplicaciones termoeléctricas. Informe científico 13, 5783 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33022-4

Descargar cita

Recibido: 07 Diciembre 2022

Aceptado: 06 abril 2023

Publicado: 08 abril 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-33022-4

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.