成果简介
有机热电（TE）材料可直接将废热转化为电能，作为可持续的能源收集材料受到越来越多的关注。它们还具有重量轻、机械灵活性和可扩展性强等优点。然而，由于缺乏高温稳定性，它们的广泛应用受到了限制。目前迫切需要开发具有更好热稳定性和出色 TE 性能的轻质有机 TE 材料，要求材料具有高导电率 (σ)、塞贝克系数 (S) 和低导热率。
本文，美国德州农工大学Yunchong Yang等研究人员在《Carbon》期刊发表名为“3D N-Doped Crumpled Graphene Aerogels for Thermoelectric Energy Harvesting and Highly Sensitive Piezoresistive Sensing”的论文， 研究通过简单的一锅溶液法合成了新型三维（3D）多孔皱缩石墨烯气凝胶（CGAs）。利用冷冻干燥和微波辐照技术，通过控制良好的多孔结构提高了导电性并抑制了导热性。微波辐照 CGAs（MW-CGAs）具有 0.0071 g/cm3 的超低密度，室温下的塞贝克系数高达 29.5 μV/K，比传统的石墨烯气凝胶（GAs）高出 42%。此外，MW-CGAs 还具有高达 800 ˚C 的出色热稳定性和压阻传感能力，响应时间快达 50 ms，对小至 0.13 kPa 的压应力具有高灵敏度。自下而上合成的 CGA 显示出在废热回收和便携式/可穿戴电子产品方面的巨大潜力。
图文导读
图1、 (a) crumpling scheme of graphene nanosheets into CGOs. (b) One-step solution synthesis of CGA. (c) Band-gap engineering of CGA via facile microwave irradiation.
图2：（a）GO 纳米片的 TEM 图像和左上角的 GO 粉末照片。(b) 和 (c) 左上角 CGO 粉末的 SEM 图像和照片。(d) 单个 CGO 的 TEM 图像。(e) CGO 粉末的粒度分布。
图3.（a） CGA 制造的数字图像。（b） 站在花朵上的圆柱形 MW-CGA 的数字图像。（c） MW-CGA 的 SEM 图像。（d） 纯 MW-GA、MW-50CGA/50GA 和纯 MW-CGA 的热导率。（e） 纯 MW-GA、MW-50CGA/50GA 和纯 MW-CGA 的电导率、塞贝克系数和功率因数。
图4.用 （a 和 b） 100% CGO、（c 和 d） 50% CGO/50% GO 和 （e 和 f） 100% GO 制备的气凝胶的 SEM 图像。
图5.（a） FT-IR，（b） XRD，（c） 拉曼光谱，（d） XPS 光谱，（e） 微波照射前后 GO、CGO 和 CGA 的元素分析;（f） MW-CGA 的 N1s 光谱。
图6.（a） 不同压应力下MW-CGA的V-I特性曲线。（b） 反应和弛豫时间。（c） 700 Pa 可重复压应力下的阻力响应。（d） 不同压应力下的实时阻力变化。
小结
总之，我们开发了一种简单、有效、节能的方法，利用微波辐照制造三维 N 掺杂皱缩石墨烯气凝胶，用于热电能量采集和压阻应力传感。与传统的化学气相沉积 (CVD)、高温热退火和各种烧结工艺相比，微波辐照技术展示了高能效带隙工程，可获得热稳定性高、电学和 TE 性能优越的材料。由于能量过滤效应和声子散射现象，与MW-GA相比，含有大量皱褶石墨烯的 MW-CGA 具有更优越的热电（TE）性能。MW-CGA的塞贝克系数高达 29.5 μV/K，比 MW-GA 提高了 42%。相比之下，MW-CGA 的比功率因数为 3.7 μW-m-1-K-2/(g-cm-³)，是 MW-GA 的 14 倍，这得益于其更强的导电性和更高的塞贝克系数。此外，MW-CGA 还具有出色的热稳定性，因此可以在不牺牲性能的情况下在极端环境中工作。此外，MW-CGA 的压阻传感能力体现在其高达 50 毫秒的快速响应时间、对小至 0.13 千帕的压应力的高灵敏度以及坚固耐用的特性，这些都突出了它在人类医疗保健和软电子产品领域的潜在应用。我们的研究结果为在微波辐照的帮助下开发具有多功能特性的基于皱缩石墨烯球的气凝胶提供了一条前景广阔的途径，为未来各种技术应用的创新铺平了道路，如能量收集、人体保健传感、便携式电子产品和软机器人。
文献：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2024.119827
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