武汉理工大学吕松AMT：一种具有昼夜动态热控制和高热导率的简单微/纳米多孔结构——用于增强热电发电

Wiley

2025-06-12

研究背景

全球能源需求的持续增长与化石燃料使用引发的环境问题，使得开发绿色、可持续的能源技术成为迫切需求。辐射冷却（Radiative Cooling, RC）作为一种被动散热技术，通过大气窗口（8-13 µm）向太空辐射热量，展现出在节能制冷、建筑温控等领域的潜力。与此同时，热电发电机（Thermoelectric Generator, TEG）可将热能直接转换为电能，但其效率受限于热源与冷端之间的温差。结合RC与TEG的全天候发电系统可同时利用太阳热能与太空冷能，然而现有技术面临光谱冲突、结构复杂、热导效率低等挑战。例如，传统堆叠或翻转结构需要额外机械组件，增加热阻和成本；热致变色材料虽能动态调控，但其制备复杂且电输出性能有限。此外，现有RC-TEG系统在白天的辐射冷却功率不足，导致昼夜发电不均衡。因此，开发一种结构简单、热导率高且能动态调控昼夜热源的技术，对实现高效全天候能量转换具有重要科学与应用价值。

文章概述

武汉理工大学船海与能动学院/材料科学与工程学院吕松教授团队提出了一种新型微/纳米多孔碳基结构（CNP-GE-TEG），结合热电装置实现高效全天候发电。该结构以石墨烯薄膜（GE）为基底，通过蜡烛火焰合成法负载高黑度碳纳米颗粒（CNP），兼具高太阳光谱吸收率（98.6%）与夜间高红外发射率。石墨烯的纵向高导热性可快速传递热量至TEG表面，结合多孔结构的动态热调控能力，有效扩大了昼夜温差。实验结果表明，CNP-GE-TEG系统的最大输出电压达847mV（昼）和106mV（夜），最大温差为12.63°C（昼）和1.42°C（夜），最大功率密度达2112.96 mW/m²。通过COMSOL仿真模型，团队进一步分析了环境温度、风速、光照强度等因素对发电性能的影响，验证了系统的鲁棒性。该研究为全天候热电发电装置的设计提供了低成本、可扩展的解决方案，推动了可再生能源技术的实用化进程。

图文导读

图1 CNP-GE-TEG结构示意图

图2.CNP-GE-TEG 模型的室外TEG冷热端温度、电压、温差数据图

图3.a. 石墨烯表面的SEM电子显微照片 b.碳纳米孔图 c.碳纳米孔图 d.自适应多孔动态膜表面图 e.石墨烯（GE）与自适应动态多孔碳纳米膜（CNP-GE）的光谱测量 f.GE和CNP-GE在不同光强度下（室温：22.6°C，湿度48%）的光热转换 h。CNP-GE 薄膜在8-13μm处的发射率。

图4.不同CNP-GE 结构的顶部受光区域仿真数据、不同 CNP 厚度的仿真数据图、不同环境温度下的仿真数据图、不同太阳照射的模拟数据图、不同风速的模拟数据图

结论

团队提出了一种新型微/纳米多孔碳基结构（CNP-GE-TEG），通过动态调控昼夜热源显著提升了热电发电装置的输出性能。实验结果表明，该结构在白天利用碳纳米颗粒的高光热吸收率（98.6%）实现最大输出电压847 mV、温度差12.63°C及功率密度2112.96 mW/m²；夜间则通过多孔结构的高红外发射率获得106 mV输出电压与1.42°C温差，较单一石墨烯结构的发电效率提升228.57%。结合COMSOL仿真分析，系统在风速8m/s时性能最优，电压与温差分别提升99.48%和112.03%，而碳纳米涂层面积达200 mm时实现成本与效率的最佳平衡。研究进一步揭示了环境温度升高会降低TEG温差，而光照强度增加则直接提升昼间发电效率。该技术通过简化的蜡烛火焰合成工艺与高导热石墨烯基底，为全天候能量采集提供了低成本、可扩展的解决方案，对推动辐射冷却与热电转换的协同优化具有重要的理论价值与工程应用前景。

期刊简介

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