پیشرفت های اخیر در عملکرد ترموالکتریک با ترکیب مواد مبتنی بر گرافن برای برداشت انرژی

تقریباً دو سوم انرژی تولید شده در جهان عمدتاً به صورت گرما به محیط زیست تلف می‌شود که در صورت بهره‌برداری و تبدیل آن به انرژی الکتریکی می‌توان منافع اقتصادی و زیست‌محیطی قابل‌توجهی به همراه داشت. [1]، [2]، [3]. بنابراین، ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG) اخیراً به دلیل پتانسیل آنها برای تولید مستقیم برق تجدیدپذیر و پاک با استفاده از گرمای طبیعی از نور خورشید و گرمای هدر رفته از منابع مختلف مانند موتورها، کارخانه‌ها، دستگاه‌های الکترونیکی و حتی بدن انسان، علاقه‌های تحقیقاتی قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند. [4]، [5]، [6]، [7]، [8]. علاوه بر این، TEG ها دارای مزایای اصل عملیات ساده، فشرده بودن، بدون نیاز به تعمیر و نگهداری، دوام، مقیاس پذیری آسان و سازگاری با محیط زیست هستند. [9]، [10]، [11]. با این حال، علیرغم داشتن راندمان تبدیل TE نسبتاً بالای 30٪، راندمان تبدیل TE عملی TEG های پیشرفته هنوز زیر 12٪ است. [12]. بنابراین، توسعه TEG ها هنوز یک فناوری نابالغ است، هنوز به طور رضایت بخشی برای نزدیک شدن به راندمان تبدیل انرژی نظری بهینه شده است. این به نوبه خود، تحقیقات آینده را بر آن داشته است تا بر پیشرفت عملکرد دستگاه، به ویژه با بهینه سازی خواص TE مواد مورد استفاده برای ساخت TEG تمرکز کنند.

TEG ها معمولاً با استفاده از مواد نیمه هادی معدنی مانند Sb ساخته می شوند₂Te₃ [13]، [14]، PbTe [15]، [16]، بی₂ببینید₃ [17]، [18] و بی₂Te₃ [19]، [20]که سفت، شکننده، کمیاب و سمی هستند و به فرآیندهای پیچیده رسوب در خلاء نیاز دارند. [21]، [22]. این امر به طور نامطلوب TEG ها را با هزینه های بالا تبدیل می کند و کاربردهای بزرگ مقیاس آنها را محدود می کند. در نتیجه، مواد TE آلی، از جمله مولکول های کوچک [23]، [24]، مواد مبتنی بر کربن [25]، [26] و پلیمرهای مزدوج [27]، [28]در سال های اخیر به دلیل سبک بودن، انعطاف پذیری عالی، غیرسمی بودن، سهولت در دسترس بودن، هزینه کم و مسیرهای سنتز آسان مورد بررسی قرار گرفته اند. در این میان، مواد کربن دار، به ویژه گرافن و مشتقات آن، مانند اکسید گرافن (GO) و اکسید گرافن احیا شده (rGO)، به دلیل سطح ویژه بزرگ، شکاف نواری قابل تنظیم، پایداری عالی و طبیعی بودن جذاب‌تر هستند. فراوانی کربن [29]، [30]، [31]، [32]. این ویژگی ها از نظر فنی می توانند در بهبود مقرون به صرفه بودن، پایداری و عملکرد TEG ها سودمند باشند. با این حال، ضریب کم سیبک (اس، ~80 میکروولت K^-1) [33] و هدایت حرارتی بالا (ک، ~5000 وات متر^-1 ک^-1) [34] گرافن مواد مبتنی بر گرافن را با راندمان تبدیل TE کمتر نسبت به همتایان غیرآلی معمولی خود ارائه می کند. بنابراین، تلاش های پژوهشی قابل توجهی در حال انجام است تا افزایش یابد اس و کاهش دهد ک از مواد مبتنی بر گرافن بدون به خطر انداختن رسانایی الکتریکی آنها (σ) برای بهبود عملکرد TE. در نتیجه، این مطالعه به دنبال بحث در مورد برخی از جدیدترین تلاش‌هایی است که برای دستیابی به این اهداف اختصاص یافته است تا زمینه را برای مسیرهای تحقیقاتی جدید فراهم کند.

اگرچه پیشرفت های قابل توجهی در عملکرد TE در چند سال گذشته انجام شده است، به عنوان مثال، با بهترین فاکتورهای توان (PFs) ~5.2 [35]، 2.6 [36]، 3.0 [37]، 32.6 [38]، 8.6 [39]، 68.4 [40]، 56.3 [41] 9.1 [42]، 468.0 [43] و 20.3 میکرووات متر^-1 ک^-2 [44] قبل از سال 2018 به دست آمده است؛ تا آنجا که ما می دانیم، این PF ها در سال های اخیر به دلیل تلاش های تحقیقاتی گسترده در اصلاح گرافن از طریق دوپینگ و سنتز کامپوزیت، عملکرد بهتری داشته اند. بنابراین، این بررسی پیشرفت‌های مهم اخیر (2018-2022) را در پیشبرد راندمان تبدیل TE با استفاده از مواد مبتنی بر گرافن برجسته می‌کند. مزایا، معایب و مسیرهای آینده برای توسعه TEGهای مقرون به صرفه، بسیار کارآمد، سازگار با محیط زیست، پایدار و در مقیاس بزرگ نیز برای هموار کردن راه برای کاربردهای تجاری مورد بحث قرار گرفته است.