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马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

研究开发了一种高温处理RGO薄膜用作TE材料。与先前报道的基于碳的TE材料相比,HT-RGO具有优异的TE功率因数,从500 K到3000 K,达到创纪录的54.5μWcm-1 K-2。该材料不仅灵活,而且可在较宽的工作范围(室温至3000 K)下实现可靠的TE功率输出。

【引言】

集中太阳能和高温废热的发电目前主要限于光伏板和机械热力发动机,其温度限制在1500K以下。高操作温度有利于获得高卡诺效率,能够有效地将热量转换成电力。卡诺效率和功率输出都随着温度升高而增加,然而在更高的温度下,机械热力发动机变得更加复杂。此外,开发柔性的热电(TE)器件,可以轻松集成到大规模制造中。对于涉及聚合物的柔性TE应用,最高工作温度受到更大的限制(≤500K)。因此,开发能够在高温下工作同时保持其柔性和TE性能的新材料具有极大的挑战。

【成果简介】

近日,马里兰大学胡良兵教授和Dennis H. Drew(共同通讯作者)等人展示了一种基于高温还原氧化石墨烯纳米片的热电转换材料。研究人员在3300 K进行还原处理后,3000K时的纳米片膜的电导率增加到4000 Scm-1且功率因数S2σ高达54.5μWcm-1 K-2。报告测量表征该膜的热电性能高达3000 K。还原石墨烯氧化膜还表现出高的宽带辐射吸收,可以充当辐射接收器和热电发生器。该成果以“Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K”为题于2018年2月5日发表在期刊Nature Energy上,论文的第一作者为李恬博士。

【图文导读】

图1 TE RGO的高温操作

马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

a,TE能量转换装置可在超高温度下操作HT-RGO薄片(高达3000K), 插图是分层RGO片状结构的示意图。在薄膜的冷面仍然接近室温的状态下,热面可以达到3000K。

b,由于不对称加热,p型RGO上的空穴积聚在冷侧,引起TE电压。 (热:最高3000 K,冷:室温)

c,热端温度为3000K,冷端温度为室温,卡诺效率增加到了90%。TE电压和电导率随温度的变化而增加,后者在3000K的温度下达到4000 S cm-1

图2 HT-RGO薄膜的高温操作性能

马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

a,用于原位监测独立式HT-RGO薄膜的白炽辐射发射的实验装置。

b,当温度达到3300 K时,HT-RGO薄膜的照片。(比例尺:1 mm)

c,取自色带中心的发射光谱,拟合普朗克函数,用于确定每个HT-RGO薄膜的温度;

d,在3300K下,退火的HT-RGO条的电导率与温度的关系。误差线表示样品变化和整个薄膜温度不均匀性的平均值和标准差。蓝色区域表示在传统烤箱中测量的温度范围,红色区域表示焦耳加热状态时利用四探针法测得的数据。

e,3300K处理过的RGO条在恒定的6.30V施加电压下连续发射超过50小时,通过普朗克拟合,发射光谱随时间变化产生略微的偏离。(拟合的温度为2459.6K-2460.7K)

图3 辐射加热后的TE电压

马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

a,实验设置。 将第二RGO带放置在HT-RGO薄膜下方,进行热辐射加热。HT-RGO TE材料产生不对称温度分布。(比例尺:1 mm)

b,三种不同的3.5μm厚的RGO薄膜随辐射源温度变化测得的TE输出电压。RGO薄膜在1000 K,2000 K和3300 K的温度热降解,其中3300 K HT-RGO显示出最大的塞贝克效应。

c,使用准直输出的532nm单模激光器,在不同温度下,石英衬底上的55层RGO膜的透射率测量值减少。

d,随着波长变化,3300 K RGO薄膜的吸收和反射率,透射率在整个波长范围内可以忽略不计。

图4 塞贝克系数测量和热导率测量

马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

a,用于测量塞贝克系数的T形方案。RGO被修剪成T形,配色方案表明整个胶片的温度变化。薄膜的热面可以达到3000K,而冷面仍然接近室温。(比例尺:2 mm)

b,用T形RGO薄膜测量从520K到2900K的塞贝克系数。

c,使用导热源直接测量从300K到620K的塞贝克系数。

d,合并来自b和c的测量值的生成的TE电压。

e,300K至3000K的温度之间,实验和模拟的导热系数。

图5 作为TE发电机的3300 K RGO薄膜的性能

马里兰大学胡良兵Nat. Energy:3000 K高温下柔性还原石墨烯氧化膜的热电性能

a,在热辐射下,从HT-RGO带测得的电流-电压输出。

b,HT-RGO带产生的短路电流和开路电压。

c,在太阳能TE发电机(STEG)中部署TE HT-RGO的概念示意图。

d,HT-RGO在不同温度下的功率因数。

e,最近报道的基于碳的TE材料(碳纳米管(CNT)和RGO19)的TE功率因数值。

f,研究中HT-RGO和其他报道的高温TE材料之间的最大操作温度对比。

【小结】

研究开发了一种高温处理RGO薄膜用作TE材料。与先前报道的基于碳的TE材料相比,HT-RGO具有优异的TE功率因数,从500 K到3000 K,达到创纪录的54.5μWcm-1 K-2。该材料不仅灵活,而且可在较宽的工作范围(室温至3000 K)下实现可靠的TE功率输出。 TE的超高温运行开辟了许多高功率能源系统的潜在应用,如聚光太阳能热发电、高能发电厂热电转换和常见燃料的绝热燃烧能的利用。根据所需温度调整掺杂比例,可以进一步优化RGO TE膜的转换效率。

文献链接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)

感谢胡良兵教授课题组李恬博士对本文的斧正!

本文由材料人编辑部学术组Meadow供稿,材料牛整理编辑。

本文来自材料牛,本文观点不代表石墨烯网立场,转载请联系原作者。

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