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时间：2023-10-30 10:07点击量：次
热电发生器用单壁碳纳米管复合材料增强热电性能的研究进展
1. 介绍
近年来，人们对广泛使用的不可再生化石燃料的枯竭和环境问题日益关注，促使风能和太阳能等自然丰富、清洁、环保的可再生和可持续能源的发展。
固态热电发电机(TEG)作为可再生能源的重要补充，因其在不排放任何污染物的情况下收集废热并将其直接转化为电能的潜力而引起了极大的研究关注。
TEG还具有易于扩展和在有限温度梯度下即使使用小热源也能运行的优点。
2. 热电发电机的基本工作原理
典型的TEG由两种TE材料组成，也称为腿，即用于电子传输的n型半导体(供体)和用于空穴传输的p型半导体(受体)，它们热并联连接，电串联连接，如图1所示。
简而言之，当在不同半导体材料(即p型和n型半导体)的两端施加温度梯度时，通过加热顶部结和冷却底部结，热量在热端被吸收，从而产生电子-空穴对。
因此，两端的温差导致热侧在费米能级(EF)以上的电子分布很大，而冷侧在EF以上的电子分布很小。
3. 单壁碳纳米管的热电参数
3.1 优点和功率因数图
在绝对温度(T)下，材料的TE性能可以方便地用优值图来确定，优值图可以从TE参数，如塞贝克系数(Seebeck coefficient)、电导率(σ)和导热系数(k)中计算出来，使用式(5):
因此，高性能TE材料应具有高品质，其中包括大塞贝克系数以提供高电压;高导电性抑制焦耳加热im电竞。
低导热系数，最大限度地减少热损失，以及优异的机械，化学和热稳定性，所有这些对实际应用至关重要。
大多数有机TE材料的导热系数较低(0.1 - 1.0 W m-1K-1)，PF通常用于评估其TE性能。
3.2 塞贝克系数
塞贝克系数是材料每一度温差ΔT所产生的电位差ΔV，如式(7)所示：
因此，塞贝克系数大的优质TE材料在小的温度梯度下应产生高的电位差。
im电竞
此外，低载流子浓度可以确定较大的塞贝克系数，如式(8)所示,式中kB、h、e、m*、n、T分别为玻尔兹曼常数、普朗克常数、电子电荷、载流子有效质量、载流子浓度和绝对温度。
3.3 导电性
导电性是测量材料可以传递的电流的量，即材料传递电流的能力。
电导率是由材料的载流子输运特性决定的，可以用方程(9)和(10)来确定:
其中n、µ和RH分别为载流子浓度、载流子迁移率和霍尔系数。
4. 结论与展望
本研究强调了2018年至2022年期间，通过加入碳质材料，特别是SWCNTs及其纳米复合材料，在提高TE材料和TEG的性能和可持续性方面的最新进展。
TE材料的最新突破有助于满足全球对可再生能源日益增长的需求，通过促进使
因此，本审查有助于克服常用的不可再生化石燃料的缺点，例如耗竭和环境污染，同时也减少目前作为废热散发到环境中的有用能源的数量。
然而，尽管有上述优点，TEG的制造仍然是一项不成熟的技术，由于常用的无机TE材料的缺点，包括其低TE性能、复杂的制造工艺、高成本、毒性、稀缺、刚性和脆性，TEG的制造还没有完全优化以适应大规模的商业应用。
因此，有机TE材料，如碳质材料，特别是SWCNTs，由于其制造工艺简单、成本低、无毒、丰富、易于扩展、高导电性、大比表面积、重量轻、优越的柔韧性和可调谐的带隙而变得越来越有吸引力。
[1] K.K. Garg, S. Pandey, A. Kumar, A. Rana, N.G. Sahoo, R.K. Singh,从废塑料中提取的石墨烯纳米片用于成本效益高的热电应用,Results Mater. 13 (2022), 100260.
[2] N. Chen, C. Ren, L. Sun, H. Xue, H. Yang, X. An, X. Yang, J. Zhang,通过控制复合比例改善多壁碳纳米管/Ag2Se的热电性能,CrystEngComm 24 (2022) 260.
[4] P. Alegria, L. Catalan, M. Araiz, A. Rodriguez,一种新型无活动部件热电发电机的实验开发，用于利用浅热干岩田,Appl. Therm. Eng. 200 (2022), 117619.
[5] D. Lee, I. Kim, D. Kim,混合摩擦热电发电机，有效地收集由形状记忆合金激活的热能,Nano Energy 82 (2021), 105696.
1. 介绍
近年来，人们对广泛使用的不可再生化石燃料的枯竭和环境问题日益关注，促使风能和太阳能等自然丰富、清洁、环保的可再生和可持续能源的发展。
固态热电发电机(TEG)作为可再生能源的重要补充，因其在不排放任何污染物的情况下收集废热并将其直接转化为电能的潜力而引起了极大的研究关注。
TEG还具有易于扩展和在有限温度梯度下即使使用小热源也能运行的优点。
2. 热电发电机的基本工作原理
典型的TEG由两种TE材料组成，也称为腿，即用于电子传输的n型半导体(供体)和用于空穴传输的p型半导体(受体)，它们热并联连接，电串联连接，如图1所示。
简而言之，当在不同半导体材料(即p型和n型半导体)的两端施加温度梯度时，通过加热顶部结和冷却底部结，热量在热端被吸收，从而产生电子-空穴对。
因此，两端的温差导致热侧在费米能级(EF)以上的电子分布很大，而冷侧在EF以上的电子分布很小。
3. 单壁碳纳米管的热电参数
3.1 优点和功率因数图
在绝对温度(T)下，材料的TE性能可以方便地用优值图来确定，优值图可以从TE参数，如塞贝克系数(Seebeck coefficient)、电导率(σ)和导热系数(k)中计算出来，使用式(5):
因此，高性能TE材料应具有高品质，其中包括大塞贝克系数以提供高电压;高导电性抑制焦耳加热im电竞。
低导热系数，最大限度地减少热损失，以及优异的机械，化学和热稳定性，所有这些对实际应用至关重要。
大多数有机TE材料的导热系数较低(0.1 - 1.0 W m-1K-1)，PF通常用于评估其TE性能。
3.2 塞贝克系数
塞贝克系数是材料每一度温差ΔT所产生的电位差ΔV，如式(7)所示：
因此，塞贝克系数大的优质TE材料在小的温度梯度下应产生高的电位差。
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此外，低载流子浓度可以确定较大的塞贝克系数，如式(8)所示,式中kB、h、e、m*、n、T分别为玻尔兹曼常数、普朗克常数、电子电荷、载流子有效质量、载流子浓度和绝对温度。
3.3 导电性
导电性是测量材料可以传递的电流的量，即材料传递电流的能力。
电导率是由材料的载流子输运特性决定的，可以用方程(9)和(10)来确定:
其中n、µ和RH分别为载流子浓度、载流子迁移率和霍尔系数。
4. 结论与展望
本研究强调了2018年至2022年期间，通过加入碳质材料，特别是SWCNTs及其纳米复合材料，在提高TE材料和TEG的性能和可持续性方面的最新进展。
TE材料的最新突破有助于满足全球对可再生能源日益增长的需求，通过促进使
因此，本审查有助于克服常用的不可再生化石燃料的缺点，例如耗竭和环境污染，同时也减少目前作为废热散发到环境中的有用能源的数量。
然而，尽管有上述优点，TEG的制造仍然是一项不成熟的技术，由于常用的无机TE材料的缺点，包括其低TE性能、复杂的制造工艺、高成本、毒性、稀缺、刚性和脆性，TEG的制造还没有完全优化以适应大规模的商业应用。
因此，有机TE材料，如碳质材料，特别是SWCNTs，由于其制造工艺简单、成本低、无毒、丰富、易于扩展、高导电性、大比表面积、重量轻、优越的柔韧性和可调谐的带隙而变得越来越有吸引力。
[1] K.K. Garg, S. Pandey, A. Kumar, A. Rana, N.G. Sahoo, R.K. Singh,从废塑料中提取的石墨烯纳米片用于成本效益高的热电应用,Results Mater. 13 (2022), 100260.
[2] N. Chen, C. Ren, L. Sun, H. Xue, H. Yang, X. An, X. Yang, J. Zhang,通过控制复合比例改善多壁碳纳米管/Ag2Se的热电性能,CrystEngComm 24 (2022) 260.
[4] P. Alegria, L. Catalan, M. Araiz, A. Rodriguez,一种新型无活动部件热电发电机的实验开发，用于利用浅热干岩田,Appl. Therm. Eng. 200 (2022), 117619.
[5] D. Lee, I. Kim, D. Kim,混合摩擦热电发电机，有效地收集由形状记忆合金激活的热能,Nano Energy 82 (2021), 105696.
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