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Jul 20, 2023

Scientific Reports volume 12、記事番号: 21603 (2022) この記事を引用

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このレポートは、カチオン性界面活性剤を使用した超長期の空気安定性を備えた n 型単層カーボンナノチューブ (SWCNT) フィルムを紹介し、n 型ゼーベック係数が 2 年以上維持できることを実証します。これは、これまでに報告されている中で最も高い安定性です。私たちの知る限りでは。さらに、SWCNT フィルムは面内方向に 0.62 ± 0.08 W/(m・K) という極めて低い熱伝導率を示し、これは薄膜 TEG にとって非常に有用です。 p型SWCNT膜と開発したn型SWCNT膜を用いたオールカーボンナノチューブTEGを作製し、大気中での安定性を調査した。この TEG は 160 日間劣化せず、温度差 60 K で最大電力 0.4 µW の出力電圧 24 mV を示しました。これらの結果は、カーボンナノチューブ TEG を電力源として広く使用できる道を開きます。 IoTセンサー。

カーボンナノチューブ (CNT) は、エレクトロニクス 1、2、3、エネルギー 4、5、6、機能性材料 7、8、9 などの分野でいくつかの用途があります。また、六方晶系の炭素が円柱の軸を中心に螺旋状に配列した原子構造を有している10。 CNT は一般に、その構造に基づいて単層 CNT (SWCNT) と多層 CNT (MWCNT) に分類されます。 MWCNT と比較して、SWCNT は非常に高い電気伝導率や熱伝導率など、いくつかの優れた特性を持っています。最近、新しい合成方法のおかげで、SWCNT の製造コストが高いという制限が克服されました 11、12。これに関連して、高品質の SWCNT を大量に必要とするアプリケーションの開発が可能になりました。

SWCNT は、ゼーベック効果によって熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電発電機 (TEG) の開発に使用されます。 SWCNT ベースの TEG は、柔軟性、軽量、および 300 K 付近で適度に高い熱電特性を示します。したがって、モノのインターネット (IoT) センサーの電源として使用できる可能性があります 16、17、18。特に、IoT センサーネットワークを効率的に使用できるようにするには、狭い地域や曲がりくねった地域など、電源を備えた複数のセンサーを設置する必要があることがよくあります。一般に、TEG は、交互に直列に接続された多数の n 型および p 型熱電素子で構成されています19、20、21。しかし、空気中で長期安定性のあるn型SWCNTを製造することは非常に困難です。この問題が存在するのは、元の SWCNT が n 型特性を示し、酸素分子が SWCNT 表面に吸着されるとすぐに p 型に変化するためです。したがって、SWCNT 上の電子は酸素分子に移動します 22、23、24。

この限界を克服するために、何人かの学者が、空気中で長期安定性を有するn型SWCNTを得る方法を試み、提案してきた25、26、27、28、29、30。野々口ららは、塩配位した n 型 SWCNT が 100°C であっても長期間にわたって優れた空気安定性を示すことを報告しました25。畑ら。最近、1,2-ジフェニルヒドラジンを含むポリマーで封止された SWCNT は、加速老化条件下で 1 か月以上化学的に安定であると報告されました 26。これらの先駆的な研究は、我々が簡単なプロセスを使用して空気中で安定な n 型 SWCNT を研究する動機となった。私たちの最近の研究では、さまざまなアニオン性界面活性剤を使用して n 型 SWCNT フィルムを調製し、その後熱処理しました 31,32。そのうち、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム (SDBS) を含む SWCNT フィルムは、14 日間で約 -50 μV/K の n 型ゼーベック係数を示しました。

本研究では、n型ゼーベック係数を安定に維持できる時間を延長するために、SWCNTにカチオン性界面活性剤を分散させたものを使用しました。カチオン性界面活性剤の分子は、アニオン性界面活性剤の分子とは対照的に、カチオン-π軌道相互作用により CNT 表面に強く付着します 25,33。ただし、カチオン界面活性剤はアニオン界面活性剤に比べて分散性が劣ります。したがって、SWCNT に分散されたいくつかのカチオン性界面活性剤を調査し、空気安定性に関するそれらの熱電特性を推定しました。次のステップは、全炭素 TEG を準備することでした 34。 p型SWCNT膜とカチオン性界面活性剤（n型）を添加したSWCNT膜からなるオールカーボンTEGをフレキシブル基板上に作製し、TEGの性能を測定した。

カチオン性界面活性剤を使用した SWCNT フィルムの製造は、アニオン性界面活性剤を使用した SWCNT フィルムの製造を実証した最近の研究に基づいています 31。 SWCNT フィルム (図 1) は、SWCNT 粉末とカチオン性界面活性剤の分散溶液をガラス基板上にドロップキャストし、その後熱処理することによって作製されました。塩化セチルピリジニウム (CPC) と塩化ジメチルジステアリルアンモニウム (DODMAC) の 2 種類のカチオン性界面活性剤を使用しました。参考までに、前回の研究で SWCNT フィルムの作製に使用したさまざまなアニオン性界面活性剤の中で最も優れた性能を示したアニオン性界面活性剤 SDBS を SWCNT フィルムに添加しました 31。それらの分子構造は補足情報に示されています(図S1)。

界面活性剤を使用した SWCNT フィルムの製造プロセス。

異なる界面活性剤を使用したSWCNTフィルムの熱処理温度の関数としてのゼーベック係数（初期値）を図2aに示します。熱処理なし (20°C でプロット) では、各 SWCNT フィルムは、界面活性剤に関係なく、正のゼーベック係数 (p 型) を示します。 150°C では、カチオン性界面活性剤を含む SWCNT フィルムは、-40 ～ -50 μV/K の範囲の負のゼーベック係数を示し、SDBS (アニオン性界面活性剤) を含む SWCNT フィルム、つまり SDBS/SWCNT フィルムは、ゼロに近いゼーベック係数を示します。。 DODMAC (カチオン性界面活性剤) を含む SWCNT フィルム、DODMAC/SWCNT フィルムは、250 °C でゼーベック係数の負の最大値 (-57 μV/K) を示し、この負の値は 300 から 350 °C の温度で急速に増加します。 Cとなり、プラスになります。 CPC を含む SWCNT フィルム、CPC/SWCNT フィルムは、150 ～ 350 °C の温度範囲で約 - 40 μV/K という同様のゼーベック係数を示し、400 °C を超える温度ではゼーベック係数の絶対値が減少します。 SDBS を使用すると、ゼーベック係数はますます負になり、高い負の値はカチオン性界面活性剤を使用して調製された SWCNT フィルムより 100 ℃ 高い 250 ℃ で安定します。その後、ゼーベック係数は 400°C を超える温度で正になります。さまざまな界面活性剤を使用した SWCNT フィルムの熱処理温度の関数としての導電率を補足情報に示します (図 S2a)。異なる界面活性剤と熱処理温度による SWCNT フィルムのゼーベック係数の経時的変化を図 2b ～ d に示します。図 2b に示すように、350°C では、SDBS/SWCNT フィルムは約 -50 μV/K の安定した n 型ゼーベック係数を 14 日間維持し、ゼーベック係数は 35 日で正の値に変化します 31。図2cに示すように、350℃未満の温度に加熱されたCPC/SWCNTフィルムは、適度に安定したn型ゼーベック係数を示します。特に、150℃に加熱したフィルムで最も高い安定性が観察されます。 SWCNT フィルムは、安定した n 型ゼーベック係数約 - 50 µV/K を 98 日間維持し、ゼーベック係数は 120 日後に正の値に変化します。図2dに示すように、DODMAC/SWCNTフィルムのゼーベック係数は、最適化された熱処理により非常に高い空気安定性を示します。熱処理温度を 150 および 200°C に固定すると、約 -50 μV/K の n 型ゼーベック係数が 665 日間維持されます。この期間の後、ゼーベック係数は徐々に減少します。ただし、n 型特性は 721 日間維持されます。私たちの知る限り、これは、n 型 SWCNT についてこれまでに報告されている最長の n 型空気安定持続時間です。これまでに報告されているn型空気安定性の典型的な値を補足情報(表S1)に示します26、27、28、29、30、31。特に、n 型 SWCNT の特性はその直径に依存します。ここでは、一般に優れた特性を示す直径 3 ～ 5 nm の SWCNT が使用されました。 200℃に維持したサンプルは、繰り返しの測定により 644 日後に破壊されました。さらに、150 日から 250 日の間の測定期間の中断は、新型コロナウイルス感染症による制限によるものです。したがって、我々は、カチオン性界面活性剤 DODMAC を使用することにより、適度に低い熱処理温度で n 型 SWCNT フィルムの超長期間の空気安定性が達成されることを実証しました。この低温熱処理により、耐熱性の低い安価な基板の使用が可能となり、ヒーター消費電力も低減できるなど、製造コストの低減に貢献します。異なる界面活性剤と熱処理温度によるSWCNTフィルムの電気伝導率の時間の経過に伴う変化を補足情報に示します（図S2b〜d）。

(a) 各種界面活性剤の初期ゼーベック係数と熱処理温度の関係。異なる界面活性剤と熱処理温度による SWCNT フィルムのゼーベック係数の経時的変化。 (b) SDBS、(c) CPC、および (d) DODMAC を含む SWCNT フィルム。

さまざまな界面活性剤を使用した SWCNT フィルムの表面 SEM 画像を図 3a ～ g に示します。 SEM 画像に基づいて、各界面活性剤について、熱処理なし、および空気安定性が最も高くなる熱処理温度が選択されました。この研究におけるさまざまな熱処理温度に対応する SEM 画像を補足情報に示します (図 S3)。熱処理を行っていない界面活性剤を含まないSWCNTフィルムの表面SEM画像には、さまざまな直径の絡み合った多数のSWCNT束が積み重なっていることが示されています（図3a）。熱処理を行っていないSDBS/SWCNT膜では、SDBS分子がSWCNT束の間の隙間を埋めており、膜表面は平坦になっています（図3b）。 350℃に加熱したSDBS/SWCNTフィルムでは、SDBS界面活性剤がわずかに蒸発したため、フィルム表面はわずかに荒れています（図3c）。熱処理を行わないCPC/SWCNTフィルムでは、CPC界面活性剤が表面を完全に覆っています（図3d）。 150℃に加熱したCPC/SWCNT膜では、表面にランダムな形状の結晶状構造が形成され、その下のSWCNT表面が部分的に観察できます（図3e）。表面形態の変化は、CPC の融点が低い (77°C) ために発生しました。 CPCは熱処理中に溶融し、冷却過程で再結晶化して凝集したものです。熱処理を行わないDODMAC / SWCNTフィルムでは、SWCNTの束は界面活性剤によって完全にコーティングされており、フィルムの表面は適度に粗くなっています（図3f）。 150℃に加熱したDODMAC/SWCNTフィルムでは、表面形態は熱処理なしのフィルムとほぼ同じでした（図3g）。特に、補足情報(図S3)に示すように、450℃に加熱したDODMAC/SWCNTフィルムでは、界面活性剤がSWCNT表面から蒸発したにもかかわらず、補足のFT-IR分析で実証されたように、同様の形態が観察されました。情報 (図 S4)。この発見は、DODMAC 界面活性剤が 150℃に加熱された SWCNT 表面を薄く覆っていることを示しています。したがって、SWCNT フィルムの表面形態は、使用する界面活性剤の種類によって大きく影響されます。

異なる界面活性剤と熱処理温度を使用した SWCNT フィルムの表面形態を SEM で観察。 (a) 界面活性剤フリー、熱処理なし。 (b) SDBS、熱処理なし。 c SDBS、350℃。 (d) CPC、熱処理なし。 (e) CPC、150℃。 (f) DODMAC、熱処理なし。 (g) DODMAC、150℃。 X 線光電子分光法 (XPS) を使用して観察された、さまざまな界面活性剤と熱処理温度を使用した SWCNT フィルムの O1s スペクトルの強度。 (h) 界面活性剤フリー。 (i) SDBS。 (j) CPC。 (k) DODMAC。 FTIRを使用して観察された、さまざまな界面活性剤と熱処理温度を使用したSWCNTフィルムの吸光度。 (l) 界面活性剤フリー。 (m) SDBS。 (n) CPC。 (o) DODMAC。

図3h〜kに示すように、XPSを使用してO1sスペクトルを分析することにより、フィルム表面の酸素の存在を調査しました。 XPS 測定の平均分析深さは約 10 nm です。界面活性剤を含まないフィルムの O1s スペクトルは、熱処理後に低い強度を示しますが、O1s スペクトルは依然として検出されます（図 3h）。この結果は、熱処理により SWCNT 表面から酸素が脱離し、その後フィルムが大気にさらされた後に酸素が吸着されたことを示しています。図3iに示すように、SDBS/SWCNT膜はSDBS構造中に酸素をSO3-として含むため、酸素の吸着を評価することができません。図3jでは、ドロップキャストプロセスからの残留水により、未処理のCPC / SWCNTフィルムで酸素が検出されました。 CPC/SWCNT フィルムの O1s スペクトルの強度は熱処理後に減少しましたが、酸素はまだ存在していました。これは、図3eに示すように、酸素分子が露出したSWCNT表面に再吸着したことを示しています。図3kでは、未処理のDODMAC/SWCNTフィルムでも、残留水分子からの酸素が検出されました。しかし、熱処理後はピークが観察されなくなり、DODMAC/SWCNT 膜内の隙間の水が蒸発し、完全な被覆が達成されたことがわかりました。

図 3l–o に示すように、SWCNT と界面活性剤の間の結合は、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR) を使用して調査されました。すべての界面活性剤について、熱処理の有無にかかわらずフィルムの FTIR ピークは SWCNT と界面活性剤のピークに由来します。熱処理後でも、界面活性剤と SWCNT の間に新たな結合は形成されません。したがって、界面活性剤は膜中にSWCNTに吸着したような状態で存在する。

界面活性剤としてカチオン性界面活性剤を用いた場合、カチオン性界面活性剤の本体部分（カチオン性分子）が還元型ＳＷＣＮＴ（加熱されたＳＷＣＮＴ）によく吸着される。界面活性剤は SWCNT 表面を濡らします。その後、酸素分子が SWCNT 表面近くに残っているにもかかわらず、SWCNT 束は DODMAC で完全にコーティングされます。 DODMAC から SWCNT への電子移動速度は SWCNT から酸素分子への電子移動速度を上回るため、DODMAC/SWCNT 膜は n 型ゼーベック係数を示します。 n 型電子移動反応に関するデータを収集するために、ラマン分光分析を実行しました。その結果は補足情報に記載されています (図 S5)。同様の現象は、アルカリ/クラウン処理された SWCNT で以前に観察されています 25。したがって、DODMAC/SWCNT フィルムは n 型ゼーベック係数を示し、2 年以上維持されました。 CPC/SWCNT フィルムの空気安定性は、界面活性剤層と SWCNT フィルムの分離による酸素の再吸着のため、DODMAC/SWCNT フィルムの空気安定性よりも劣ります。

表 1 は、250 日後の最高の空気安定性を示した SWCNT フィルム (150℃で加熱された DODMAC/SWCNT フィルム) の熱輸送特性を示しています。比較のために、この表には 2 種類の SWCNT フィルムの特性が含まれています。界面活性剤を含まない p 型 SWCNT フィルム、同じ SWCNT と同様の製造プロセスを使用して調製された界面活性剤不使用/SWCNT フィルムです。この研究18; ジメチルホルムアミドにKOHと18-クラウン-6-エーテルを加えたn型SWCNT膜、KOH_18-クラウン/SWCNT膜。これはn型SWCNT膜の中で最良の結果の1つを示します25。 DODMAC/SWCNT フィルムの面内および面横断の熱伝導率は、それぞれ 0.62 ± 0.08 および 0.40 ± 0.05 W/(m・K) です。特に、面内熱伝導率は、界面活性剤を含まないフィルム(5.4±0.5W/(m・K))およびKOH_18クラウン/SWCNTフィルム(39±12W/(m・K))よりも著しく低い。この傾向は、面内方向の温度差を大きくできるため、薄膜 TEG に非常に適した特性です。 DODMAC/SWCNT フィルムの面内熱伝導率と面横断面熱伝導率の比、つまり熱伝導率の異方性 (0.62/0.40) は、界面活性剤フリー/SWCNT フィルムの比 (5.5/0.16) よりも低くなります。。 DODMAC/SWCNT フィルムが低い面内熱伝導率と低い異方性を示すという考えられる説明は、補足情報 (図 S6) に記載されています。 DODMAC/SWCNT フィルムの面内力率は 3.6 μW/(m・K2) であり、界面活性剤フリー/SWCNT フィルムの面内力率 (26.7 μW/(m・K2) および KOH_18 クラウン/SWCNT フィルム (導電率が低いため2.05×102μW/(m・K2)となりますが、無次元性能指数ZTは1.7×10−3であり、界面活性剤フリー/SWCNTの性能指数(1.5×10−3)と同等です。 3) および KOH_18-クラウン/SWCNT 膜 (2×10-3) は、DODMAC/SWCNT 膜の面内方向の熱伝導率が非常に低いため、熱処理を最適化した DODMAC/SWCNT 膜が熱伝導率を向上させることを実証しました。 n 型特性の超長期間の空気安定性と比較的高い ZT が特徴です。

全カーボンTEGは、ドロップキャスト法とその後の熱処理によって柔軟なポリイミドシート上に作製されました（図4a）。 n 型 SWCNT フィルムは、空気中での安定性が非常に長いため、SWCNT 粉末と DODMAC 界面活性剤の水ベースの分散溶液として使用されます。 p型SWCNT膜の作製には、界面活性剤を含まないSWCNT粉末のエタノールベース分散液を使用した。 TEG は 4 対の n 型および p 型 SWCNT フィルムで構成され、それぞれが銀ペーストで直列に接続されました。 TEG内に温度差を作り出すために、銀ペーストが上部と下部で交互になるようにTEGを曲げました（図4b）。 TEG をヒーター上に置き、ヒーターの温度を制御しながら出力電圧 V を測定しました (図 4c)。図 5 は、適用された温度差の関数としての全カーボン TEG の性能を示しています。全炭素 TEG の空気安定性を調査するために、TEG の製造後 14 日目と 160 日目に測定が行われます。図5aに示すように、温度差が増加するにつれて出力電圧は直線的に増加します。 160日目に測定したTEGの温度差と出力電圧の関係は、14日目に測定したものとほぼ同じでした。 160日目に測定したTEGは、温度差60Kで24mVの出力電圧を示しました。図5bに示すように、温度差が増加するにつれて、最大電力は二次関数的に増加します。 160 日目に測定した TEG の温度差と最大出力の関係は、14 日目に測定したものとほぼ同じでした。 160 日目に測定した TEG は、温度差 60 K で最大 0.4 µW の出力を示しました。したがって、オールカーボン TEG が空気安定性を長期間維持しながら出力電圧と電力を生成することが実証されました。 IoT センサーを動作させるための目標電圧 (20 mV) は達成しましたが、温度差が比較的大きくなりました。次の課題は、TEG 設計を最適化することで、小さな温度差での TEG 性能を向上させることです。

(a) オールカーボン TEG の製造プロセス。 (b) 完成したオールカーボン TEG の写真。 (c) オールカーボン TEG の性能測定の写真。

TEG 製造後 14 日目と 160 日目に測定された全カーボン TEG の性能。 (a) 出力電圧と (b) 最大電力。

要約すると、カチオン性界面活性剤を使用して、容易な製造プロセスにより、長期にわたる空気安定性を備えた n 型ゼーベック係数を示す n 型 SWCNT フィルムが達成されました。カチオン性界面活性剤を SWCNT と混合し、ドロップキャスティングとそれに続く熱処理によってフィルムを製造しました。カチオン性界面活性剤としてDODMACを使用し、熱処理温度を150℃および200℃に設定した場合、ゼーベック係数はn型特性を示し、2年以上維持されました。この現象の理由は、酸素分子が SWCNT 表面近くに残っているにもかかわらず、DODMAC が SWCNT を完全にコーティングしたためです。したがって、DODMAC と SWCNT の間の優先的な電子移動により、得られた膜に n 型のゼーベック係数が生成されました。さらに、SWCNT フィルムは面内方向の熱伝導率が極めて低いため、薄膜 TEG に非常に役立ちます。全炭素 TEG (n 型: SWCNT/DODMAC、p 型: SWCNT) をドロップキャスト法によりフレキシブルポリイミドシート上に作製し、その後熱処理しました。この TEG は 160 日間劣化せず、60 K の温度差で 24 mV の出力電圧と 0.4 μW の最大電力を示します。性能は依然として不十分ですが、この結果により CNT TEG の普及への道が開かれました。 IoTセンサーの電源として。

スーパーグロース CNT (ZEONANO SG101) として知られる SWCNT は、日本ゼオン株式会社によって供給されました。カチオン性界面活性剤としては、ＣＰＣ（東京化成工業株式会社）およびＤＯＤＭＡＣ（富士フイルム和光純薬）をそのまま使用した。参考として、陰イオン界面活性剤SDBS（東京化成工業株式会社）をそのまま使用した。

界面活性剤を含む SWCNT を脱イオン水中に超音波分散させました。 CPCとDODMACの2種類のカチオン界面活性剤と、SDBSというアニオン界面活性剤を使用しました。脱イオン水中のＳＷＣＮＴおよび界面活性剤の濃度は、それぞれ０．２および１．０重量％であった。超音波ホモジナイザー（SONICS 85、AZONE Co.）を使用してSWCNT粉末を完全に分散させた。 SWCNT フィルムは、ドロップキャスティングによって限られた蒸着領域 (2.5 × 2.0 cm) でガラス基板上に調製されました。膜厚は約１０μｍであった。ピペットを用いて、ＳＷＣＮＴ分散液０．９ｍｌを基板上にドロップキャストした。ドロップキャスト後、分散液を大気下で約２４時間自然乾燥させた。ガラス基板上に成膜した SWCNT 膜を電気炉で加熱した。熱処理の詳細な手順については、以前のレポートを参照してください35、36。簡単に説明すると、炉は大気圧でアルゴン (95%) と水素 (5%) の混合ガスで満たされました。水素ガスを添加して、SWCNT フィルム表面の酸素原子の量を減らしました。熱処理温度は150、200、250、300、350、400、450℃に設定し、処理時間は1時間とした。炉内の温度が 100°C 未満になったときにサンプルを取り出しました。

SWCNT フィルムの面内ゼーベック係数は 300 K 付近で ± 10% の精度で測定されました 37。フィルムの一端はヒートシンクに接続され、もう一端はヒーターに接続されました。ゼーベック係数は、膜に押し付けられた 2 つの直径 0.1 mm の K 型熱電対を使用して測定された温度差に対する膜に沿った電位差の比として決定されました。 SWCNT フィルムの面内導電率は、4 点プローブ法 (Napson、RT-70 V) を使用して 300 K 付近の温度で ± 10% の精度で測定されました。 SWCNT フィルムのゼーベック係数と導電率の時間依存性を測定するために、まず測定を 1 日間隔で合計 7 日間実行しました。その後、7 日間隔で合計 721 日間測定を実施しました。面内および面外の熱拡散率 Din および Dcross は、それぞれ非接触レーザースポット周期加熱放射温度計 (Bethel Co.、サーモウェーブアナライザー) によって± 3% の精度で測定されました38。面内および面外の熱拡散率 Din および Dcross は、それぞれ 1.66 および 1.07 mm2/s です。比熱は示差走査熱量計（島津製作所、ＤＳＣ－６０）を用いて±１０％の精度で測定したところ、その値は０．８９Ｊ／（ｇ・Ｋ）であった。熱伝導率は、熱拡散率 (D)、密度 (ρ)、比熱 (Cp) から式 κ = DρCp に基づいて求めることができます。 SWCNT フィルムの密度は 0.42 g/cm3 と測定されました。

SWCNT フィルムの表面形態は、加速電圧 3 kV で電界放射型走査型電子顕微鏡 (FE-SEM; Hitachi S-4800) を使用して分析されました。 SWCNT フィルムの化学構造は、Al Kα 照射を使用した XPS (ULVAC-PHI Quantum 2000) および FTIR (JASCO FT/IR-4200) によって特性評価されました。

n 型 DODMAC/SWCNT 膜の製造プロセスと条件は、使用した基板を除き、「界面活性剤を使用した SWCNT 膜の調製」セクションで説明したものと同じでした。ポリイミドシート (25 × 20 mm2、厚さ 125 μm) を TEG 作製用の基板として使用しました。 TEG の作製には、カチオン性界面活性剤 DODMAC を 150℃の熱処理温度で使用しました。これは、この界面活性剤を使用すると SWCNT フィルムで超長期の空気安定性が達成されたためです。熱処理後、n型膜とp型膜の端部を銀ペーストを用いて直列接続した。得られた TEG は、4 対の n 型および p 型 SWCNT フィルムで構成されていました。作製したTEGは長さ230mm、幅22mmであった。 TEGに温度差を作るため、銀ペーストの位置が上になるようにTEGを曲げました。曲げた TEG の高さは 16 mm、収縮後のサイズは長さ 46 mm、幅 22 mm でした。

ヒーター温度を変化させながら TEG の性能を実験的に測定しました。 TEG をヒーターにしっかりと取り付け、2 つの熱電対 (K タイプ) を使用して TEG の上部と下部の温度を測定しました。 2 本の Cu ワイヤ電極を最外層の SWCNT フィルムに接続し、出力電圧を測定しました。 2 本の熱電対と 2 本の Cu ワイヤをデータロガー (GL240-SD midi LOGGER、GRAPHTEC) に接続しました。そこで、TEG の上下の温度差と出力電圧の関係を測定しました。最大電力 Pmax は、出力電圧 V と TEG の測定された全抵抗 Rtotal から次のように計算されました: Pmax = V2/4Rtotal。 Rtotal はデバイス温度によって変化するため、補足情報 (図 S7) に示すように Rtotal の温度依存性を評価しました。

著者らは、この研究の結果を裏付けるほとんどのデータが論文とその補足情報ファイル内で入手できることを宣言します。現在の研究中に生成されたおよび/または研究中に分析された残りのデータは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は日本ゼオン株式会社からの助成金によって一部支援されました。実験協力をしていただいた東海大学の関裕也氏、千葉哲也氏、小林史氏に感謝いたします。

Department of Materials Science, Tokai University, 4-1-1 Kitakaname, Hiratsuka, Kanagawa, 259-1292, Japan

Yuki Amma, Katsuma Miura & Masayuki Takashiri

〒316-8511 茨城県日立市文京2-1-1 茨城大学大学院理工学研究科

Sho Nagata & Tsuyoshi Nishi

神戸市立高専機械工学科〒651-2194 兵庫県神戸市西区学園東町8-3

Shugo Miyake

九州工業大学機械制御工学科〒804-8550 福岡県北九州市戸畑区泉水1-1

宮崎幸司

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YA と MT がアイデアを考案し、実験を設計しました。 YAとMTが本文を執筆しました。熱電特性と構造特性の解析は YA と KM によって行われました。熱輸送特性は SN、TN、SM、および KM によって調査されました。著者全員が結果について議論し、原稿についてコメントしました。

Correspondence to Masayuki Takashiri.

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

安間裕也、三浦和也、永田慎他熱伝導率の低い n 型カーボンナノチューブフィルムとオールカーボン熱電発電機の超長期空気安定性。 Sci Rep 12、21603 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-26108-y

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受信日: 2022 年 7 月 12 日

受理日: 2022 年 12 月 9 日

公開日: 2022 年 12 月 14 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-26108-y

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