Nature Materials：富勒烯封装调制单个碳纳米管的热和热传输性能

【引言】

近年来，面对人类对能源日益增长的需求和化石能源的日益枯竭，发展可持续能源迫在眉睫。热电材料成为了国内外研究的热点课题。自19世纪初发现半导体材料的Seebeck效应和Peltier效应以来，热电材料如雨后春笋般在材料研究界大量出现。然而，受限于较低的热电转化效率，热电材料目前的应用仅限于如外太空探测器等一些利基市场。提高热电转化效率的核心是提高热电优值ZT，也就是提高热电材料的电导特性同时降低材料的热导率。封装分子对单个碳纳米管(CNTs)热性能的潜在影响一直是一个重要的开放性问题。在热传输微观结构中实现CNTs封装分子对热性能调制并没有得到实验证实。然而，CNTs在能量转换及热管理方面的广泛应用而受到关注。单个CNTs的特性调制是特别有趣的工作，可能会导致材料性能的提高和新应用的发现。CNTs的关键特性是纳米级的内腔，最新化学工艺使得将各种材料插入到内部空间，例如：不同类型的碳纳米材料、有机分子和纳米粒子，从而实现材料热电性能的提高。以前工作中富勒烯封装可以调制CNTs的热性能。然而，封装分子对单个碳纳米管的热传输特性的影响还未见报道。

【成果简介】

近日，斯坦福大学Takashi Kodama和Kenneth E. Goodson（共同通讯）合作研发了以单个CNTs为研究对象，分别利用C₆₀，Gd@C₈₂和Er₂@C₈₂对单个CNTs进行封装，从而在结构上实现了热性能的传输，并测量三种材料的热导率（κ）和热电势（S）。同时，与空心CNTs热性能在室温条件下进行对比，三种不同材料封装单个CNTs引起热导率减小35-55％，S增加约40％。κ的峰值随着温度从40到320K发生变化且向较低温度移动。实验数据与模拟计算富勒烯封装的CNTs之间的相互作用是一致的。相关成果以题 “Modulation of thermal and thermoelectric transport in individual carbon nanotubes by fullerene encapsulation” 在Nature Materials发表。

【图文导读】

图1：测量装置和封装的CNTs的示意图，SEM和TEM

a 制造的测量装置的示意图（左）和用于测量CNT的热导率（κ）和热电的悬浮微结构的代表性SEM图像（右）；

b SEM图像的悬浮κ测量装置开发的制造工艺的示意性工艺流程。左边是研究中使用的五种CNT的TEM图像。

图2：室温下测量的封装的CNT束的热导率（κ）和热电势（S）

a，b，κ（a）和S（b）作为直径的函数。虚线表示在不同样品之间估计的SWNT的平均κ和S。

图3：封装的CNT束的热导率（κ）和电势（S）与温度依赖性之间的关系

a封装的CNT束的κ的温度依赖性；

b 封装的CNT束的S的温度依赖性。

图4：封装SWNT样品模拟

a 作为αint（= dint / dmax，其中dint =（dmax-df）/2）的函数的T = 300K时的C₆₀磷灰石的热导率（κ）；

b C₆₀ peapod的声子色散关系与αint的变化；

c 作为αint和温度的函数的C₆₀ peapod的热容量；

d 由富勒烯封装引起的X=σ（实线）和X=S（虚线）的变化比（X_cnt-X_pea）/Xcnt作为化学势的函数。

【结论】

本文提出了CNTs与封装材料之间的强相互作用，引起抑制κ和增强S。通过封装分子的变化可能进一步调制CNT的热性能。同时基于本征材料的低热导特性和CNT基热电材料，CNTs管间结的热传递通常对材料导热性能产生很大的影响。单个CNT的导电性能将影响体材料性质。随机取向导致σ降低并限制CNT的密度，这对于进一步提高材料性能是必要的。此外，管间结的S主要由单个CNT的S决定。单个CNT热电性质的调制对于材料的应用也是重要的。本工作旨在开发富勒烯封装调制单个CNTs的高性能热电材料，为以后的热电材料研究提供新思路。

文献链接： Modulation of thermal and thermoelectric transport in individual carbon nanotubes by fullerene encapsulation（Nature Materials, 2017, DOI: 10.1038/nmat4946）

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