气凝胶热电转换的材料设计、器件组装及性能评价

Existing thermo-insulating materials, including aerogels, just play a simple role of thermo-insulation in a passive way, resulting in a huge waste of energy. Traditional thermo-electric conversion techniques including semiconductor thermoelectric generator, alkali metal thermoelectric conversion, electrochemical thermal cell and thermal photovoltaic power generation can convert heat into electricity without high efficiency of thermal insulation. In our project, we have proposed a new idea, i.e., aerogel thermoelectric conversion, by adopting p/n -type doping graphene aerogels as the positive/negative electrodes, and silicon dioxide aerogels as the electric-insulating materials for all-aerogel structured thermo-electric generators. The synthetic parameter- aerogel structure relationship, the assembly and integration of the devices will be fully investigated to get some key parameters such as the power factor, the thermoelectric figure of merit, etc. for high efficient thermo-electricity conversion with simultaneous good thermal insulation.

目前的热防护材料（如气凝胶）在发挥隔热功能时，只能做到对热能的被动阻隔，不能把大量热能转换成能源的其它形式得以利用，因而是能源的一种极大浪费。传统的热电转换方式，如半导体温差发电、碱金属热电转换、电解质热伏发电和热光伏发电，均可实现温差热的电能转换，但不能实现温差热的高效防护。本项目首次提出了“气凝胶热电转换”的新概念：即分别以n型掺杂和p型掺杂的石墨烯气凝胶作为热电转换器件的正负工作电极材料，以二氧化硅气凝胶作为热电转换器件的电绝缘材料，研究这些气凝胶的合成参数与结构之间的相互关系，探索制备全气凝胶结构的热电转换器件，并通过器件组装工艺及系统集成工艺的优化，保证气凝胶隔热保温这一主要功能的同时，获得最佳的热电优值、功率因子等关键热电转换参数，实现温差热向电能的高效转换。

气凝胶，一种具有三维连续开孔网络、高比表面积、高孔隙率的超轻固体材料，因其独特的结构与理化性能，在能源、环境、建筑、航天航空等领域表现出广阔的应用前景。本研究通过对气凝胶基本组成单元的调控，经溶胶-凝胶转变及特种干燥，制备得到一系列具有不同功能的气凝胶，并探索了气凝胶材料在热-电转换、电催化、传感、柔性可穿戴、热管理等领域中的应用。主要研究内容包括：（1）以N掺杂碳空心球为结构单元，制备得到N掺杂碳空心球-石墨烯复合气凝胶。以该气凝胶为电极材料，将其组装成“U”型热电化学池器件，探究N掺杂碳空心球-石墨烯复合气凝胶的热-电转换性能；（2）以氧化石墨烯为前驱体，通过氧化刻蚀造孔、液晶化等工艺，制备得到具有三维规整多孔网络的各向异性孔洞石墨烯气凝胶，辅以低温电解质，组装出单个低温冷冻热电化学池及相应集成器件，实现在外界温度为零下40度时的热-电转换。（3）通过元素掺杂、SnO2纳米粒子复合，分别制备得到N掺杂石墨烯气凝胶及p-n结石墨烯复合气凝胶，在电化学传感及催化等方面表现出优异的应用。相关研究结果表明，通过选择合适的前驱体组装单元，可实现不同功能石墨烯气凝胶的组装设计，为调和气凝胶的结构与功能之间的矛盾提供理论指导，并实现对热能的高效防护及利用。此外，本研究进一步扩展了气凝胶的种类、功能及应用，实现对气凝胶的宏观低维调控，制备得到一系列具有不同宏观尺度的石墨烯气凝胶、凯夫拉气凝胶、超柔性氮化硼气凝胶及氧化硅气凝胶，并探索上述气凝胶材料在智能响应、柔性可穿戴、隔热保温等领域的应用。本项目资助下发表SCI收录学术论文27篇，包括Adv. Mater. (2)；ACS Nano (4)； Adv. Funct. Mater. (1)；Nano Energy （1）；J. Mater. Chem. A (4)等IF大于10论文12篇, 1区论文17篇。申请中国发明专利31项，授权两项；申请PCT专利2项。