石墨烯:将热能直接转变为电能?

亚瑟·查理斯·克拉克曾说过任何足够先进的技术与魔法无异。看起来,石墨烯就是一种经常被归类于具有神奇功能的物质。石墨烯曾被建议用来制造晶体管和灯泡、骨骼的替代品、药物载体、电力存储和传输材料、润滑剂和防水材料。研究人员发现了石墨烯的最新用途——将热能直接转变成电能。

1821年,德国物理学家塞贝克发现了以其名字命名的塞贝克效应,即某些物质具有如此特性:只要对物质进行局部加热,电子就能从高温部位流向低温部位,从而产生电流。此种热能发电方式无法替代专业热电站,但有人相信这种热能发电方式能利用余热,例如汽车发动机产生的余热、发电站自身产生的余热。


具备较好塞贝克效应性能的物质只在特定温度范围内才具备潜在使用价值,这可是一个难题。锶钛氧化物是一种较好的候选材料,但锶钛氧化物要加热至700至750°C才能产生塞贝克效应。罗伯特·弗里尔和伊恩·金洛克都是英国曼彻斯特大学的材料科学家,这两位科学家认为加入一点石墨烯就能扩大锶钛氧化物产生塞贝克效应的温度范围;这并非是偶然发现的现象,曼彻斯特大学在2003年就发现了这一现象。依据这两位科学家发表在《应用材料和界面》的报道,他们认为自己成功了。

为了具备良好的塞贝克效应性能,发电材料必须具有良好导电性而导热性较低。让人感到遗憾的是,很少有物质同时具备这两种特性。良好的电导体通常也导热,而电绝缘体通常也属于热绝缘体。

锶钛氧化物属于绝缘体范畴,但罗伯特·弗里尔博士和伊恩·金洛克博士认为如果将石墨烯添加进锶钛氧化物,能提高锶钛氧化物的导电性和导热性。石墨烯是一种性能优异的电导体。在先前的实验结果表明:将镧材料加入锶钛氧化物之后,锶钛氧化物的导电性提高了,而降低锶钛氧化物结晶内的氧原子,就能降低锶钛氧化物的热流性能。经过此类调节,锶钛氧化物能在500至750°C范围内产生塞贝克效应。

将石墨烯加入锶钛氧化物之后,锶钛氧化物的性能发生了巨大变化。通过实验,罗伯特·弗里尔博士和伊恩·金洛克博士发现最佳配比为石墨烯占到0.6%。经过这样的改进后的锶钛氧化物的工作温度范围扩大为从室温至750°C,热能转化成电能最高能达到5%。虽然5%转化率不高,但纯锶钛氧化物的转化率仅为1%,与之相比,5%转化率是一个很大的进步了。不论怎样,首次将石墨烯的锶钛氧化物材料是一种尝试。

罗伯特·弗里尔博士和伊恩·金洛克博士为以后研究更先进的材料奠定了基础。人们应当思考这一事实:普通汽车消耗的70%燃油能量被转化成热能而浪费了,人们应当使用某种性能更好的东西来为汽车提供补充电能。可能就在将来,发动机废弃的热能将能为车载空调提高电能,所有这些都只要一点石墨烯粉末就能办到。