碳納米管（CNT）在電子、能源和功能材料等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。它們具有六方碳圍繞圓柱體軸線螺旋排列的原子結(jié)構(gòu)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)差異，碳納米管通?？煞譃閱伪谔技{米管（SWCNT）和多壁碳納米管（MWCNT）。

與多壁碳納米管相比，單壁碳納米管具有極高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等諸多優(yōu)異性能。近來(lái)，得益于新的合成方法，業(yè)界已經(jīng)克服了單壁碳納米管的高制造成本局限。在此背景下，開發(fā)需要大量高品質(zhì)單壁碳納米管的應(yīng)用變得切實(shí)可行。

通過(guò)塞貝克效應(yīng)，單壁碳納米管可用于開發(fā)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的熱電發(fā)電機(jī)（TEG）?；趩伪谔技{米管的熱電發(fā)電機(jī)具有柔性且重量輕，在300 K附近具有相對(duì)較高的熱電性能。因此，它們有望用作物聯(lián)網(wǎng)（IoT）傳感器的電源。值得注意的是，為了實(shí)現(xiàn)更高效的物聯(lián)網(wǎng)傳感網(wǎng)絡(luò)，通常需要在不方便接電或更換電池的位置安裝自供能的傳感器。

一般來(lái)說(shuō)，熱電發(fā)電機(jī)由許多n型和p型熱電元件組成，這些熱電元件交替串聯(lián)連接。然而，制造在空氣中具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性的n型單壁碳納米管非常具有挑戰(zhàn)性。因?yàn)樵嫉膯伪谔技{米管表現(xiàn)出n型特性，當(dāng)氧分子吸附在單壁碳納米管表面上時(shí)，它會(huì)立即變?yōu)閜型；因此，單壁碳納米管上的電子被轉(zhuǎn)移至氧分子。

為了克服這一局限，一些學(xué)者已經(jīng)嘗試并提出了各種在空氣中實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的n型單壁碳納米管的方法。例如，Nonoguchi等研究人員報(bào)道了鹽配位的n型單壁碳納米管在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)（甚至在100℃下），都表現(xiàn)出了優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性；Hata等研究人員最近報(bào)道了一種聚合物密封的單壁碳納米管（包含1,2-二苯肼），在加速老化條件下化學(xué)穩(wěn)定性超過(guò)一個(gè)月。

這些開創(chuàng)性的研究激勵(lì)我們采用簡(jiǎn)單的工藝方法研究空氣穩(wěn)定的n型單壁碳納米管。據(jù)麥姆斯咨詢介紹，日本東海大學(xué)（Tokai University）的研究人員在其最近的研究中，采用不同陰離子表面活性劑制備了n型單壁碳納米管膜，然后進(jìn)行熱處理。其中，含有十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）的單壁碳納米管膜持續(xù)14天表現(xiàn)出約???50 μV/K的n型塞貝克系數(shù)。

為了進(jìn)一步延長(zhǎng)穩(wěn)定保持n型塞貝克系數(shù)的時(shí)間，東海大學(xué)的研究人員在最新的研究中采用了分散在單壁碳納米管中的陽(yáng)離子表面活性劑。這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表于最近的Scientific Reports期刊。與陰離子表面活性劑中的分子相比，陽(yáng)離子表面活性劑中的分子由于陽(yáng)離子-π軌道相互作用而牢固地附著在碳納米管表面。然而，陽(yáng)離子表面活性劑的分散性低于陰離子表面活性。

因此，研究人員研究了幾種分散在單壁碳納米管中的陽(yáng)離子表面活性劑，并評(píng)估了它們?cè)诳諝夥€(wěn)定性方面的熱電性能。然后制備了全碳熱電發(fā)電機(jī)，其由p型單壁碳納米管膜和具有陽(yáng)離子表面活性劑（n型）的單壁碳納米管膜組成，并測(cè)量了熱電發(fā)電機(jī)的性能。

利用表面活性劑制備單壁碳納米管膜

（a）全碳熱電發(fā)電機(jī)的制造工藝；（b）完成的全碳熱電發(fā)電機(jī)照片；（c）全碳熱電發(fā)電機(jī)性能測(cè)量照片。

總之，采用陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)簡(jiǎn)單的制造工藝，獲得了具有長(zhǎng)期空氣穩(wěn)定性和n型塞貝克系數(shù)的n型單壁碳納米管膜。將陽(yáng)離子表面活性劑與單壁碳納米管混合，通過(guò)滴鑄法（drop casting）和熱處理制備了單壁碳納米管膜。當(dāng)雙十八烷基二甲基氯化銨（DODMAC）用作陽(yáng)離子表面活性劑，熱處理溫度設(shè)置在150℃和200℃時(shí)，表現(xiàn)出塞貝克系數(shù)并能保持n型特性超過(guò)兩年。

這種現(xiàn)象的一個(gè)原因是DODMAC完全涂覆了單壁碳納米管，即使氧分子會(huì)保留在單壁碳納米管表面附近，DODMAC和單壁碳納米管之間的優(yōu)先電子轉(zhuǎn)移從而在所得單壁碳納米管膜中產(chǎn)生n型塞貝克系數(shù)。此外，單壁碳納米管膜在面內(nèi)方向上表現(xiàn)出極低的熱導(dǎo)率，這對(duì)于薄膜熱電發(fā)電機(jī)非常有用。

然后，研究人員通過(guò)滴鑄法在柔性聚酰亞胺片上制造全碳熱電發(fā)電機(jī)（n型：?jiǎn)伪谔技{米管膜/DODMAC和p型：?jiǎn)伪谔技{米管膜），然后進(jìn)行熱處理。這種TEG在160天內(nèi)不會(huì)退化，并且在60 K的溫差下輸出電壓為24 mV，最大功率為0.4 μW。盡管性能仍然不夠好，但該研究結(jié)果為碳納米管熱電發(fā)電機(jī)作為物聯(lián)網(wǎng)傳感器的供能方案開辟了道路。

審核編輯：郭婷