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热电发电新方法 热电效应


热电发电新方法 热电效应

文章插图
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(HZB)教授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·塞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 ， 当材料一端热 ， 另一端冷时 ， 电荷载流子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 。但是 ， 通过热电效应 ， 我们可以将部分余热转化为电能 。
【热电发电新方法 热电效应】(来源:Ashutosh Tiwari/犹他大学)
在上一篇文章中 ， 作者通过热电发电介绍了一些创新的案例信息资源网络 。现在 ， 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 ， 通过热电效应产生电能 。
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 ， 北卡罗来纳州立大学的研究人员使用EGaIn液态金属互连来连接热电元件 。这些互连不仅具有低电阻 ， 而且具有拉伸和自修复的特性 。
遗憾的是 ， 热电效应虽然很有价值 ， 但在普通金属中却很弱 。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 ， 信息资源网作者曾介绍 ， 日本大阪大学和日立公司的研究人员开发了一种新型无毒热电材料:YbSi2 ， 它无毒 ， 电导率高 ， 热导率低 ， 因此可以作为理想的热电发电材料 。
改革
不过 ， 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 ， 笔者要为大家介绍一种新的方案 。
德国海姆霍尔茨柏林材料研究所(HZB)教授Norbert Nickel领导的研究小组开发了一种更简单的方法 。他们用一支普通的HB铅笔 ， 在复印纸上潦草地划了一小块区域 。然后 ， 他们使用第二种材料:透明导电聚合物涂层(PEDOT: PSS) ， 在复印纸上潦草地画了另一个小区域 。
(来源:HZB)
技术
纸上铅笔记号产生的电压可以和其他昂贵的纳米复合材料产生的电压相媲美 。目前 ， 这些纳米复合材料通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在信息资源网上如此有效的解释 。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 。它只是略微降低了电导率 ， 但却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 ， 利用人体的热量为小型设备或传感器供电 。


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