為應(yīng)對(duì)碳減排等重大國際需求,綠色能源的開發(fā)與應(yīng)用受到越來越廣泛的關(guān)注。其中,無工質(zhì)參與的熱電轉(zhuǎn)換器因其優(yōu)良的穩(wěn)定性以及對(duì)低品位熱源(溫度<130℃)的有效轉(zhuǎn)換,在工業(yè)生產(chǎn)、地?zé)?、廢熱與生物熱再利用等領(lǐng)域發(fā)揮著傳統(tǒng)熱機(jī)難以替代的作用。離子熱電材料作為一種新興的熱電材料,擁有著比無機(jī)半導(dǎo)體熱電材料更高的塞貝克系數(shù)和更低的熱導(dǎo)率,借助與后者截然不同的熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制,離子在冷、熱電極表面重新排列產(chǎn)生電勢(shì)差,同時(shí)該過程不涉及離子對(duì)電極的滲入。
近日,中國人民大學(xué)的王亞培教授課題組根據(jù)離子熱電材料的最新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)化的整理與總結(jié)。該綜述從四個(gè)方面展開討論:1)總結(jié)了離子熱電材料的三種熱電轉(zhuǎn)換模型,包括①離子定向熱遷移模型,即Soret效應(yīng)指出,離子在一定溫度梯度會(huì)產(chǎn)生定向遷移,陰陽離子在冷熱電極間的遷移速率差導(dǎo)致電勢(shì)差的形成。②離子-電極吸附平衡模型,升溫后熱端電極表面的雙電層結(jié)構(gòu)發(fā)生重排,使得電極中被吸附的載流子數(shù)量發(fā)生變化,進(jìn)而誘導(dǎo)冷熱電極間產(chǎn)生電勢(shì)差。③溫控氧化還原反應(yīng)模型,即溫度耦合氧化還原對(duì)模型,氧化-還原對(duì)物種在冷熱電極附近分別發(fā)生氧化和還原反應(yīng),伴隨產(chǎn)生的電子流經(jīng)外電路后產(chǎn)生電勢(shì)差。2)歸納了離子熱電材料及其特性,常見的離子熱電材料多為液體或類液體材料,包括電解質(zhì)溶液與凝膠、離子液體、離子凝膠、聚電解質(zhì)、聚離子液體等。3)簡(jiǎn)述了離子熱電材料的應(yīng)用前景。由于離子熱電材料往往具有柔性、綠色、廉價(jià)等特點(diǎn),因而經(jīng)常被用于設(shè)計(jì)各種熱能回收和傳感器件,并在熱能回收、超級(jí)電容器、可穿戴器件、災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域都有非常成功的應(yīng)用。4)探討了離子熱電材料所面臨的挑戰(zhàn)。根據(jù)離子熱電材料在電導(dǎo)率依舊低下、器件的封裝問題、相關(guān)理論空缺等若干重大挑戰(zhàn),提出了離子熱電材料在未來研究中應(yīng)該著重發(fā)展的方向。
論文信息:
Thermoelectric Converters Based on Ionic Conductors
文章的第一作者是中國人民大學(xué)的碩士研究生吳洵。
Xun Wu, Naiwei Gao, Hanyu Jia, Yapei Wang*
Chemistry – An Asian Journal
DOI: 10.1002/asia.202001331
Chemistry – An Asian Journal
致力于成為化學(xué)研究領(lǐng)域的旗艦刊物,它出版化學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域,刊發(fā)包括Full Papers, Communications, and Mini-Reviews。
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