Hoogwaardige verwarmingselementen op basis van nanoschaal-dikke grafietfilms

Grafisch abstract. Credit: ACS Toegepaste Materialen & Interfaces (2022). DOI: 10.1021/acsami.1c23803

Het combineren van meerdere koolstofnanomaterialen in een enkele stof kan verrassende eigenschappen opleveren. KAUST-onderzoekers hebben dunne grafietfilms gemaakt die kunnen fungeren als hoogwaardige flexibele verwarmingspanelen, die binnen enkele seconden enkele honderden graden bereiken wanneer een kleine spanning wordt toegepast. Ze toonden ook aan dat de sleutel tot de uitzonderlijke verwarmingsprestaties van het materiaal de grafeendomeinen in de grafietfilm zijn.

Als uitstekende warmtegeleiders worden grafiet-koolstof nanomaterialen steeds vaker gebruikt voor warmtebeheer, bijvoorbeeld om warmte van microchips af te voeren. Dezelfde materialen kunnen ook worden gebruikt als elektrische kachels.

“Er is behoefte aan het ontwikkelen van energiezuinige, flexibele verwarmingspanelen, en nanokoolstoffen zijn de belangrijkste kanshebbers”, zegt G. Deokar, een postdoc in het laboratorium van Pedro Costa, die het werk leidde. “Tot nu toe waren hun elektrothermische prestaties echter beperkt”, voegt ze eraan toe. Op nanokoolstof gebaseerde verwarmers hebben gewoonlijk een ingangsspanning van 20-60 volt nodig om een ​​doeltemperatuur van 250 graden Celsius te bereiken. Ze kunnen ook snel degraderen wanneer ze aan de lucht worden verwarmd.

Costa, Deokar en hun collega’s hebben onlangs een methode ontwikkeld om nanoschaal-dikke grafietfilms (NGF’s) op waferschaal te vervaardigen. Ze konden ze ook gemakkelijk overbrengen naar willekeurige substraten, zonder de residuen die vaak aanwezig zijn in grafeenpanelen. “Deze kenmerken van de NGF hebben ons ertoe aangezet hun toepassing in technologieën voor thermisch beheer te onderzoeken”, zegt Deokar.

Toen het team NGF’s op flexibele Kapton-platen plaatste en gouden elektroden aanbracht, bleek hun verwarmingsprestatie veel beter te zijn dan eerder gerapporteerde nanokoolstofverwarmers. Bij toepassing van minder dan 8 volt bereikte het materiaal binnen enkele seconden een doeltemperatuur van 300 graden Celsius. Het afkoelen ging even snel. “We hebben ook een uitstekende stabiliteit waargenomen en hebben aangetoond dat de NGF kan worden gebruikt als een externe herbruikbare pleister om water te koken”, zegt Deokar.

“We hebben ze gebruikt op tweemaal de maximale temperatuur van andere nanokoolstoffen (met ongeveer de helft van het opgenomen vermogen) en het bruikbare verwarmingsoppervlak werd ook vergroot, wat betekent dat de efficiëntie van het paneel aanzienlijk beter was”, voegt Pedro toe.

Potentiële toepassingen voor het materiaal kunnen variëren van miniatuurverwarmers voor sensoren of microfluïdische apparaten tot verwarmers op industriële schaal, zoals luchtvernevelaars of ruimteverwarmingsregelaars.

Het team begrijpt dat de uitstekende prestaties van de NGF te danken zijn aan de aanwezigheid van grafeendomeinen en rimpels in het materiaal, die als hotspots fungeren. “Deze structurele kenmerken zijn over het hele NGF-oppervlak verdeeld, wat de hoge temperaturen en uniforme warmtespreiding verklaart”, zegt Deokar.

Hoewel rimpels veelvoorkomende kenmerken zijn in andere nanoschaal-dikke grafietfilms, zijn de grafeendomeinen in onze NGF’s uniek, voegt Pedro toe. “De aanwezigheid en functie van de grafeendomeinen is iets dat we beter willen begrijpen”, zegt hij.