热电效应（热电发电新方法）

导读

近日，德国海姆霍兹柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 领导的科研团队研发出一种简单的方法，利用铅笔和纸张，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 就发现了这种效应。简单说，热电效应是指在特殊材料中，由于温度差异而产生电压的过程。一般来说，材料一端较热，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，从而产生电压。

几乎所有的技术和自然过程，都会产生余热这一副产品，例如：电厂、家用电器、人体等等。余热是世界上未被充分利用的能源之一，通常来说基本上是被浪费掉了。然而通过热电效应，我们可以将一部分的余热转化为电能。

( 图片来源：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，让我们一起回顾一下。

1）美国犹他大学材料科学和工程系教授 Ashutosh Tiwari 领导的团队利用化学元素钙、钴和铽化合物，制造出高效、廉价、生态友好的材料，能通过热电效应生产电力。

2）美国佐治亚理工学院研究人员采用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）百思特网韩国蔚山国立科技大学材料科学和工程学院的教授 Kyoung Jin Choi 领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产生能量。

4）美国北卡罗莱纳州立大学的研究人员为了提高柔性可穿戴设备中热电发电机的性能和效率，采用EGaIn 液态金属互连线连接温差电元件，这些互连线不仅电阻很低，还具有拉伸和自我修复的特性。

不幸地是，虽然热电效应非常值得利用，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，温度差异会迅速百思特网消失。

因此，热电材料需要具有低导热性、高导电性。由无机半导体材料例如碲化铋制成的热电装置，如今已经广泛应用于特定的技术领域。然而，这样的材料非常昂贵，且只能在特殊情况下应用。

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出一种新型无毒的热电材料：硅化镱 （YbSi2），YbSi2是无毒的，且具有高导电性、低导热性，因此可以作为一种理想的热电发电材料。

创新

然而，科学界也在研究基于碳纳米结构的柔性、无毒、有机材料，并要将这种材料应用于人体之上。今天，笔者要为大家介绍一种新方案。

德国海姆霍兹柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 领导的科研团队研究出了一种更加简便的方法。他们使用了普通的HB铅笔，在复印纸上涂写了一小块面积。然后，他们又采用第二种材料：透明、导电的聚合物涂料（PEDOT: 百思特网PSS），在复印纸张上涂写了另外一小块面积。

( 图片来源：HZB ）

技术

纸张上铅笔痕迹制造出的电压，可与其他昂贵许多的纳米复合材料制造出的电压相提并论。目前，这些纳米复合材料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，电压可增加10倍。

在HZB，研究人员通过扫描电子显微镜和光谱法（喇曼散射）， 研究了石墨烯和共聚物涂覆的薄膜。Nickel 解释道：“结果也让我们非常惊喜。对于它为什么可以工作得这么好，我们现在找到一种解释。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，它只是稍微降低了导电性，但是却有效地降低了导热性。”

( 图片来源：参考资料【2】）

价值

未来，科学家将利用这些简单的成分在纸张上打印热电元件，这些热电元件将非常廉价、环境友好、无毒。这种小型柔性组件也可直接应用于人体，利用人体热量为小型装置或者传感器供电。

关键字

热电发电、可穿戴技术、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, Norbert H. Nickel. Fine Art of Thermoelectricity. ACS Applied Materials & Interfaces, 2018; 10 (5): 4737 DOI: 10.1021/acsami.7b17491