热电效应(热电发电的新方法)

指导阅读

最近，德国海姆霍尔茨柏林材料研究所教授诺伯特·尼克尔(Norbert Nickel)领导的研究小组开发了一种简单的方法，通过使用铅笔和纸将热量转化为电能。

背景

热电效应又称“热电效应”，并不是什么新鲜事。大约200年前，德国科学家托马斯J.S伊贝克发现了这一效应。简单来说，热电效应是指特殊材料因温差而产生电压的过程。一般来说，当材料的一端是热的，另一端是冷的，电荷载流子就会从热端向冷端移动，形成电动势，从而产生电压。

几乎所有的技术和自然过程都会产生废热作为副产品，比如发电厂、家用电器、人体等等。废热是世界上未被充分利用的能源之一。总的来说基本浪费了。然而，通过热电效应，我们可以将部分余热转化为电能。

(来源:Ashutosh Tiwari/犹他大学)

在上一篇文章中，笔者介绍了一些温差发电的创新案例。接下来，我们一起来复习一下。

1)美国犹他大学材料科学与工程系教授Ashutosh Tiwari领导的团队，利用钙、钴、铽化合物等化学元素，制造出高效、廉价、环保的材料，通过热电效应发电。

2)佐治亚理工学院的研究人员通过使用柔性导电聚合物和印刷在纸上的新导电图案，开发了一种处于概念验证阶段的可穿戴热电发电机。热电发电机可以收集人体热量，并为测量心率、呼吸和其他生理指标的生物传感器供电。

3)韩国蔚山国立科技大学材料科学与工程学院教授Kyoung Jin Choi领导的团队开发了一种新型可穿戴太阳能热电发电机，通过与衣服、窗户和建筑墙壁接触来产生能量。

4)为了提高柔性可穿戴设备中热电发电机的性能和效率，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员使用EGaIn液态金属互连接热电元件。这些互连线不仅电阻低，而且具有拉伸和自修复的特性。

遗憾的是，热电效应虽然非常值得利用，但在普通金属中却非常微弱。原因是金属不仅导电性高，导热性也高，温差会很快消失。

因此，热电材料需要具有低热导率和高电导率。碲化铋等无机半导体材料制成的热电器件已经广泛应用于特定的技术领域。然而，这种材料非常昂贵，只能在特殊情况下使用。

为了解决上述问题，笔者曾介绍过，日本大阪大学的研究人员与日立公司合作开发了一种新型无毒热电材料:硅化镱(YbSi2)，该材料无毒，具有高导电、低导热的，可作为理想的热电材料。

改革

但科学界也在研究基于碳纳米结构的柔性、无毒、有机材料，并将这种材料应用于人体。今天，我想为你介绍一个新的方案。

德国海姆霍尔茨柏林材料研究所教授诺伯特·尼克尔领导的研究小组开发了一种更简单的方法。他们用普通的HB铅笔在复印纸上涂写一小块区域。然后，他们用第二种材料:透明导电聚合物涂料(PEDOT: PSS)在复印纸上写下另一个小区域。

(来源:HZB)

技术

纸上铅笔记号产生的电压可以和其他更昂贵的纳米复合材料产生的电压相比。目前，这些纳米复合材料常用于柔性热电元件。另外，在铅笔的石墨中加入一些硒化铟，可以将电压提高10倍。

在HZB，研究人员通过扫描电子显微镜和光谱(拉曼散射)研究了石墨烯和共聚物涂层薄膜。尼克尔解释道:“结果也让我们非常吃惊。我们现在找到了为什么它如此有效的解释。纸上的铅笔痕迹是由无序的石墨片、一些石墨烯和粘土组成的，这只是略微降低了电导率，但有效地降低了热导率。”

(来源:参考文献[2])

价值

未来，科学家将使用这些简单的成分在纸上打印热电元件。这些热电元件将会非常便宜，环保无毒。这种小型柔性组件也可以直接应用于人体，利用人体热量为小型设备或传感器供电。

关键字

发电、可穿戴技术、传感器

参考数据

【1】https://www . Helmholtz-Berlin . de/pub bin/news _ seite？nid=14783&sprache=en&typoid=1

[2]维克托·布鲁斯、马克·格鲁巴、约尔格·拉皮奇、费利克斯·朗、帕夫洛·马里亚丘克、诺伯特·尼克尔。热电艺术。ACS应用材料与界面，2018；10 (5): 4737