馬里蘭大學胡良兵Nat. Energy：3000 K高溫下柔性還原石墨烯氧化膜的熱電性能

【引言】

集中太陽能和高溫廢熱的發電目前主要限于光伏板和機械熱力發動機，其溫度限制在1500K以下。高操作溫度有利于獲得高卡諾效率，能夠有效地將熱量轉換成電力。卡諾效率和功率輸出都隨著溫度升高而增加，然而在更高的溫度下，機械熱力發動機變得更加復雜。此外，開發柔性的熱電（TE）器件，可以輕松集成到大規模制造中。對于涉及聚合物的柔性TE應用，最高工作溫度受到更大的限制（≤500K）。因此，開發能夠在高溫下工作同時保持其柔性和TE性能的新材料具有極大的挑戰。

【成果簡介】

近日，馬里蘭大學胡良兵教授和Dennis H. Drew（共同通訊作者）等人展示了一種基于高溫還原氧化石墨烯納米片的熱電轉換材料。研究人員在3300 K進行還原處理后，3000K時的納米片膜的電導率增加到4000 Scm^-1且功率因數S2σ高達54.5μWcm^-1 K^-2。報告測量表征該膜的熱電性能高達3000 K。還原石墨烯氧化膜還表現出高的寬帶輻射吸收，可以充當輻射接收器和熱電發生器。該成果以“Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K”為題于2018年2月5日發表在期刊Nature Energy上，論文的第一作者為李恬博士。

【圖文導讀】

圖1 TE RGO的高溫操作

a，TE能量轉換裝置可在超高溫度下操作HT-RGO薄片（高達3000K）， 插圖是分層RGO片狀結構的示意圖。在薄膜的冷面仍然接近室溫的狀態下，熱面可以達到3000K。

b，由于不對稱加熱，p型RGO上的空穴積聚在冷側，引起TE電壓。 （熱：最高3000 K，冷：室溫）

c，熱端溫度為3000K，冷端溫度為室溫，卡諾效率增加到了90％。TE電壓和電導率隨溫度的變化而增加，后者在3000K的溫度下達到4000 S cm^-1。

圖2 HT-RGO薄膜的高溫操作性能

a，用于原位監測獨立式HT-RGO薄膜的白熾輻射發射的實驗裝置。

b，當溫度達到3300 K時，HT-RGO薄膜的照片。（比例尺：1?mm）

c，取自色帶中心的發射光譜，擬合普朗克函數，用于確定每個HT-RGO薄膜的溫度；

d，在3300K下，退火的HT-RGO條的電導率與溫度的關系。誤差線表示樣品變化和整個薄膜溫度不均勻性的平均值和標準差。藍色區域表示在傳統烤箱中測量的溫度范圍，紅色區域表示焦耳加熱狀態時利用四探針法測得的數據。

e，3300K處理過的RGO條在恒定的6.30V施加電壓下連續發射超過50小時，通過普朗克擬合，發射光譜隨時間變化產生略微的偏離。（擬合的溫度為2459.6K-2460.7K）

圖3 輻射加熱后的TE電壓

a，實驗設置。 將第二RGO帶放置在HT-RGO薄膜下方，進行熱輻射加熱。HT-RGO TE材料產生不對稱溫度分布。（比例尺：1?mm）

b，三種不同的3.5μm厚的RGO薄膜隨輻射源溫度變化測得的TE輸出電壓。RGO薄膜在1000 K，2000 K和3300 K的溫度熱降解，其中3300 K HT-RGO顯示出最大的塞貝克效應。

c，使用準直輸出的532nm單模激光器，在不同溫度下，石英襯底上的55層RGO膜的透射率測量值減少。

d，隨著波長變化，3300 K RGO薄膜的吸收和反射率，透射率在整個波長范圍內可以忽略不計。

圖4 塞貝克系數測量和熱導率測量

a，用于測量塞貝克系數的T形方案。RGO被修剪成T形，配色方案表明整個膠片的溫度變化。薄膜的熱面可以達到3000K，而冷面仍然接近室溫。（比例尺：2 mm）

b，用T形RGO薄膜測量從520K到2900K的塞貝克系數。

c，使用導熱源直接測量從300K到620K的塞貝克系數。

d，合并來自b和c的測量值的生成的TE電壓。

e，300K至3000K的溫度之間，實驗和模擬的導熱系數。

圖5 作為TE發電機的3300 K RGO薄膜的性能

a，在熱輻射下，從HT-RGO帶測得的電流-電壓輸出。

b，HT-RGO帶產生的短路電流和開路電壓。

c，在太陽能TE發電機（STEG）中部署TE HT-RGO的概念示意圖。

d，HT-RGO在不同溫度下的功率因數。

e，最近報道的基于碳的TE材料（碳納米管（CNT）和RGO19）的TE功率因數值。

f，研究中HT-RGO和其他報道的高溫TE材料之間的最大操作溫度對比。

【小結】

研究開發了一種高溫處理RGO薄膜用作TE材料。與先前報道的基于碳的TE材料相比，HT-RGO具有優異的TE功率因數，從500 K到3000 K，達到創紀錄的54.5μWcm^-1 K^-2。該材料不僅靈活，而且可在較寬的工作范圍（室溫至3000 K）下實現可靠的TE功率輸出。 TE的超高溫運行開辟了許多高功率能源系統的潛在應用，如聚光太陽能熱發電、高能發電廠熱電轉換和常見燃料的絕熱燃燒能的利用。根據所需溫度調整摻雜比例，可以進一步優化RGO TE膜的轉換效率。

文獻鏈接：Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K（Nat. Energy，2018，doi:10.1038/s41560-018-0086-3）

感謝胡良兵教授課題組李恬博士對本文的斧正！

本文由材料人編輯部學術組Meadow供稿，材料牛整理編輯。

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