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东华团队开发基于石墨烯的柔性热电材料 可感知与利用温度

文章来源: 东华大学       发布时间:2019-05-10

5月10日,记者了解到,东华大学青年教师侯成义在柔性热电材料及器件领域取得新进展,相关研究成果以《基于全无机薄膜材料的高性能低温差发电柔性热电器件》(High-Performance Flexible Thermoelectric Devices Based on All-InorganicHybrid Films for Harvesting Low-Grade Heat)为题发表于材料领域国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。东华大学博士生吴波与博士后郭洋为该论文共同第一作者,侯成义副研究员、李耀刚教授为共同通讯作者。

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人体是一个巨大能量源,70——85%能量以热辐射的方式散失在周围环境。若将人体热量等低温段能量有效利用,有望解决可穿戴设备等电子器件的持续供能问题。东华团队近期在该领域研究获得进展。


发展可再生能源是我国一项既定国策,也是保证经济稳定和可持续发展的关键。全球约有80%的电站利用热能发电,然而这些电站的平均效率只有——30%,每年约有——15TW的热量损失到环境中,如能将这部分能量回收利用,可有效缓解当前突出的能源与环境问题。以热电材料为核心的热电转换技术可不依靠任何外力将“热”与“电”两种不同形态的能量直接转换,备受科学界和工业界的广泛关注。


特别是近年来以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统迫切需求开发微瓦-毫瓦级自供电技术代替传统充电电池,以满足其向微型化、高密度化、高稳定性和可靠性发展的技术需求。而热电材料,可利用人体体温与周围环境的温差发电,因此成为便携式智能电子器件自供电技术的有效解决方案。


北京pk10开奖结果 理论表明块体热电材料的低维化将极大提高其热电性能,鉴于此,本研究团队开展了一系列低维热电材料的探索研究。在团队前期的研究中,研究人员开发了基于石墨烯材料的热电响应“电子皮肤”(Advanced Materials, 2014, 26: 5018-5024.)以及柔性太阳能热电池模型(Carbon, 2015, 95: 150-156.)。为了进一步优化柔性热电器件,研究团队构筑了全石墨烯多孔结构(Carbon, 2016, 107: 146-153.)与Au-MoS2纳米片异质结(ACS Applied Materials &Interfaces,2018, 10: 33316-33321.),提高了材料的Seebeck系数,同时降低了其热导率。制备的柔性薄膜的功率因子高达166.3 μW m-1 K-2,可有效转换人体热能。工作中,研究人员将目光转到高Seebeck系数的Bi2Te3与Sb2Te3材料,分别合成二维Bi2Te3与Sb2Te3纳米片,并利用化学转化石墨烯片(rGO)和单壁碳纳米管(SWCNTs)三维网络掺杂引入载流子传输通道,获得兼具高热电性能与高柔性的n型rGO/Bi2Te3和p型SWCNTs/Sb2Te3热电薄膜材料。

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(a)Bi2Te3、Sb2Te3 二维纳米片和(b)碳纳米材料在退火过程中的反应机制、(c)薄膜内载流子和声子传输机制


作为拓扑绝缘体,二维Bi2Te3和Sb2Te3纳米片具有表面导电和体内绝缘的特性,但其导电表面极易氧化形成不利于载流子传输的钝化层。高温退火过程可以有效去除二维纳米片表面的氧化态,为载流子传输提供通路,提高热电薄膜的功率因子(分别达到108和55μW m-1 K-2)。同时rGO和SWCNTs紧密包覆在纳米片表面,有效保护二维纳米片不被过度氧化。rGO纳米片、SWCNTs与Bi2Te3、Sb2Te3纳米片界面间的能量势垒对低能量载流子产生过滤效应,对短程声子同时产生散射作用,提高了材料的Seebeck系数、降低了材料的热导率。上述全无机材料组成的柔性热电薄膜在超过800次的循环弯折下,热电性能下降不超过20%。

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北京pk10开奖结果 (a-f)柔性热电器件的输出测试;(g-j)器件的应用演示|


北京pk10开奖结果 将n型和p型薄膜组装得到的温度敏感的热电手环,不仅能够作为体征/环境温度传感器件,在低温差(70 K)下的相对高输出功率(23.6μW),也使其成为随身能源装备的有益补充。例如,研究人员还将此热电器件与柔性光伏电池组装得到全天候持续供能的可穿戴光伏热电一体化器件,其中热电层可有效俘获光伏电池工作中产生的废热并将其转换成电能,在AM0的标准光源下输出的热电势可达到13 mV。同时通过转移光伏电池工作过程产生的热量,实现对光伏电池降温,并将光伏电池的能量转换效率提高了约2%。

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(a)光伏热电一体化器件的结构示意图、(b-d)一体化器件的性能测试、(e-f)一体化器件的应用演示|


北京pk10开奖结果 该研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、东华大学励志计划、中国科协青年人才托举工程、上海市青年拔尖人才等项目的大力资助。


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