江苏大学《RSC Adv》:综述！石墨烯基材料用于热电应用的最新进展

1成果简介

石墨烯凭借其卓越的电导率、低热导率、可调纳米结构、机械柔韧性、化学稳定性、二维结构及大比表面积，在热电材料领域展现出巨大潜力。这些独特特性使石墨烯成为热电应用的理想候选材料。本文，江苏大学朱脉勇 副教授《RSC Adv》期刊发表名为“Recent progress in graphene-based materials for thermoelectric applications”的综述，研究将从三个角度探讨石墨烯在热电领域中的最新研究成果与综述：原始石墨烯、石墨烯-无机复合材料以及石墨烯-有机复合材料。本综述的目的是提升基于石墨烯材料的选取与设计，并推动热电领域的发展。

2图文导读

图1 Timeline of advances in graphene for thermoelectric applications. Reproduced from ref. 23 and 24 with permission. Copyright 2022 the Acta Materiae Compositae Sinica, Reproduced from ref. 25 with permission. Copyright 2022 Wiley-VCH.

2.1 . 纯净石墨烯

石墨烯在热电领域有着广泛的应用，其中部分应用涉及直接使用石墨烯或改性石墨烯。在这些应用中，改性石墨烯发挥着主导作用。以下各节将详细介绍石墨烯及改性石墨烯的直接应用

2.2 石墨烯/无机复合材料

在热电材料中，无机热电材料被认为是最有希望在实验室环境中突破ZT=3的材料。传统上，提高无机材料热电性能的方法包括掺杂半金属元素（如碲，Te）和稀土元素（如镧，La）。该策略主要通过以下方式实现：（1）通过元素掺杂提高载流子浓度；（2）通过缺陷工程降低晶格热导率（κl）。53 然而，大多数掺杂剂不仅成本高昂且不可再生，这严重阻碍了其在热电设备中的大规模商业应用。这一限制促使人们迫切需要探索替代材料和方法以优化性能。

作为一种具有优异电学和热学性能的材料，石墨烯通常被用作“添加剂”，与相应材料结合以提升其原始特殊性能。在众多与石墨烯复合的材料中，石墨烯与无机材料的复合材料占较大比例，尤其是无机非金属材料。石墨烯能够显著提升其电学性能并改变材料的内部结构。本文将从图2所示的四个方面，进一步介绍石墨烯与无机材料的复合材料。

图2、Graphene mixed with different types of inorganic materials.

2.3 石墨烯/导电聚合物复合材料

尽管石墨烯在热电设备领域受到了越来越多的关注，但一些热电设备也对热电设备的可穿戴性能提出了新的要求，尤其是在人体温度差发电等领域。作为传统的无机热电材料，石墨烯因其在热电性能方面的优势而被较早引入。然而 大多数无机材料通常具有刚性，其在延展性、断裂伸长率等性能方面的不足限制了其在可穿戴热电材料领域的应用，石墨烯也不例外。因此，人们考虑将石墨烯与具有高断裂伸长率的有机材料结合，以提升其在可穿戴热电交换设备中的应用潜力。

3小结与展望

目前，基于石墨烯的复合材料在通过掺杂、功能化及纳米结构设计优化热电性能方面取得了显著进展。例如，通过引入量子限制效应、界面工程及异质结构构建，电导率与热导率之间的权衡关系得以有效平衡，从而使热电性能指标（ZT值）实现了显著提升。然而，尽管现有材料的热电转换效率有所提升，但仍难以满足大规模商业应用及工业余热回收的需求。这一局限性主要源于大多数热电材料对稀土元素的高成本依赖、部分材料的环境毒性，以及其他材料狭窄的热电工作窗口。石墨烯在热电领域的实际应用仍面临诸多挑战。这些挑战也代表了石墨烯基热电材料未来发展的方向：

(1) 多尺度协同设计：通过将石墨烯的纳米结构（如纳米带和量子点）与宏观复合系统（如聚合物/石墨烯、无机半导体/石墨烯）相结合，可在原子、纳米和宏观尺度上协同优化载流子传输和声子散射，实现电学和热学传输性质的解耦控制。

(2) 新型功能化策略：深入探索化学掺杂、缺陷工程和表面改性技术，将进一步提升石墨烯的塞贝克系数并降低晶格热导率。

(3) 柔性器件与集成应用：石墨烯的机械柔韧性和化学稳定性为柔性热电器件的开发提供了独特优势。未来，基于石墨烯的柔性热电薄膜和纤维可广泛应用于可穿戴电子设备、自供电传感器及智能纺织品，20通过持续从人体与环境的温度差中 harvesting 能量，从而推动物联网（IoT）和智能医疗领域的创新。

(4) 绿色合成与工业化突破：开发低成本、低能耗的石墨烯绿色合成工艺（如生物质碳源转化和电化学剥离），并提升其与现有工业系统的兼容性，是实现石墨烯基热电材料大规模应用的关键。此外，通过整合人工智能与高通量计算技术加速新型石墨烯复合材料的筛选与设计，将显著缩短研发周期。

文献：

https://doi.org/10.1039/D5RA03577E

来源：材料分析与应用