热电效应(热电发电新方法)

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热电效应(热电发电新办法)

导读

近日,德国海姆霍兹柏林材质所(HZB)教授 Norbert Nickel 引导的科研团队研发出一种简略的办法,应用铅笔和纸张,将热量转化为电力。

背景

热电效应,也称为“温差电效应”,并不是什么新生事物。大约200多年前,德国科学家 Thomas J. Seebeck 就发明了这种效应。简略说,热电效应是指在特别材质中,由于温度差别而发生电压的进程。一般来说,材质一端较热,另一端较冷时,电荷载体就会从热的一端向冷的一端移动,形成电动势,从而发生电压。

几乎所有的技巧和自然进程,都会发生余热这一副产品,例如:电厂、家用电器、人体等等。余热是世界上未被充足应用的能源之一,通常来说根本上是被糟蹋掉了。然而通过热电效应,我们可以将一部分的余热转化为电能。

( 图片起源:Ashutosh Tiwari/犹他大学 )

之前的文章中,笔者介绍过一些通过热电发电的创新案例。下面,让我们一起回想一下。

1)美国犹他大学材质科学和工程系教授 Ashutosh Tiwari 引导的团队应用化学元素钙、钴和铽化合物,制作出高效、便宜、生态友爱的材质,能通过热电效应生产电力。

2)美国佐治亚理工学院研讨人员采取柔性导电聚合物和纸张上印刷的新型导电图案,开发出一种概念验证阶段的可穿戴热电发电机。该热电发电机能采集人体热量,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质科学和工程学院的教授 Kyoung Jin Choi 引导的团队开发出新型可穿戴太阳能热电发电机,它通过与衣物、窗户和建筑物墙壁接触而发生能量。

4)美国北卡罗莱纳州立大学的研讨人员为了进步柔性可穿戴装备中热电发电机的性能和效力,采取EGaIn 液态金属互连线衔接温差电元件,这些互连线不仅电阻很低,还具有拉伸和自我修复的特征。

不幸地是,虽然热电效应非常值得应用,但它在普通金属中显得非常微弱。原因是,金属不仅具有高度的导电性,也具有高度的导热性,温度差别会快速消逝。

因此,热电材质须要具有低导热性、高导电性。由无机半导体材质例如碲化铋制成的热电装置,如今已经普遍运用于特定的技巧范畴。然而,这样的材质非常昂贵,且只能在特别情形下运用。

为懂得决上述问题,(原创www.isoyu.com版权)笔者曾介绍过日本大阪大学的研讨人员与日立公司合作开发出一种新型无毒的热电材质:硅化镱 (YbSi2),YbSi2是无毒的,且具有高导电性、低导热性,因此可以作为一种幻想的热电发电百思特网材质。

创新

然而,科学界也在研讨基于碳纳米构造的柔性、无毒、有机材质,并要将这种材质运用于人体之上。2021-09-28 ,笔者要为大家介绍一种新计划。

德国海姆霍兹柏林材质所(HZB)教授 Norbert Nickel 引导的科研团队研讨出了一种更加简便的办法。他们应用了普通的HB铅笔,在复印纸上涂写了一小块面积。然后,他们又采取第二种材质:透明、导电的聚合物涂料(PEDOT: PSS),在复印纸张上涂写了另外一小块面积。

( 图片起源:HZB )

技巧

纸张上铅笔痕迹制作出的电压,可与其他昂贵许多的纳米复合材质制作出的电压相提并论。目前,这些纳米复合材质常用于柔性热电元件。此外,通过向铅笔的石墨中添加一些硒化铟,电压可增长10倍。

在HZB,研讨人员通过扫描电子显微镜和光谱法(喇曼散射), 研讨了石墨烯和共聚物涂覆的薄膜。Nickel 说明道:“成果也让我们非常惊喜。百思特网对于它为什么可以工作得这么好,我们现在找到一种说明。纸张上的铅笔痕迹由无序的石墨片、一些石墨烯和黏土组成,它只是稍微下降了导电性,但是却有效地下降了导热性。”

( 图片起源:参考资料【2】)

价值

未来,科学家将应用这些简略的成分在纸张上打印热电元件,这些热电元件将非常便宜、环境友爱、无毒。这种小型柔性组件也可直接运用于人体,应用人体热量为小型装置或者传感器供电。

症结字

热电发电、可穿戴技巧、传感器

参考资料

【1】
https://www.helmholtz-berlin.de/pubbin/news_seite?nid=14783&sprache=en&typoid=1

【2】Viktor V. Brus, Marc Gluba, Jrg Rappich, Felix Lang, Pavlo D. Maryanchuk,百思特网 Norbert H. Nickel.Fine Art of Thermoelectricity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (5): 4737 DOI: 10.1021/acsami.7b17491