石墨烯量子点让废热发电更高效

在我们的日常生活中，从汽车发动机到各类电子设备，大量的能量最终都以“废热”的形式白白流失了。如果能将这些废热重新转化为电能，将对能源利用产生巨大的影响。热电材料是一种能够实现“热”与“电”直接相互转换的神奇材料。

众多热电材料中，碲化铋（Bi₂Te₃）及其固溶体是室温条件下转换效率最高的一类材料。然而，想要让它真正实现广泛的商业应用，面临着一个棘手的物理学难题：一个好的热电材料需要同时具备极佳的导电性（为了传输电能）和极差的导热性（为了保持温差）。传统材料中，这些物理参数往往是相互牵制的，很难独立优化。

这篇研究将石墨烯量子点（GQDs）像“葡萄干”一样均匀地嵌入到碲化铋的“面包”中，构建复合纳米结构。为了让两种截然不同的材料完美融合，研究团队采用了简单且无需表面活性剂的溶液合成策略。

石墨烯量子点是一种尺寸小于20纳米的零维碳纳米颗粒。研究人员考虑到石墨烯量子点表面天然带有的大量含氧官能团（如羟基-OH和羧基-COOH）。在合成过程中，这些含氧基团就像是一个个“小抓手”，能够优先吸附溶液中的铋（Bi）离子。这就导致碲化铋晶体会特意选择在石墨烯量子点的表面开始“生根发芽”（形核），并随后不断生长。（如图1所示：论文中的合成过程与形成机理示意图生动地展示了这一过程，前驱体溶液在160℃下发生反应，最终形成了量子点均匀分布的复合纳米片。）

制备出（Bi₂Te₃/GQDs）复合纳米片后，研究人员通过电子显微镜观察了它的微观结构。（如图2所示：扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像显示，研究人员成功制备了厚度约为10纳米的不规则二维复合纳米片。在极高分辨率下，可以清晰看到5到10纳米的石墨烯量子点以非晶态的形式镶嵌在结晶的碲化铋基体中。）

这种特殊的微观结构，在材料内部建立了一套复杂的“交通规则”：在复合材料内部，石墨烯量子点与碲化铋之间形成了一个约5纳米厚的含氧界面。这个界面带电，它会在材料内部形成一种“势垒”。

如图5所示：论文中的电学性能数据和电子传输路径简图表明，这种带电界面能够对载流子（电子和空穴）进行选择性散射，在调节载流子浓度的同时，使得材料的功率因子得到了优化。）

对“热”设置减速带（热学性能降低）：热量在非金属固体中主要是通过晶格的振动（物理学中称为“声子”）来传递的。材料中高密度的量子点-碲化铋界面、纳米级的晶界以及各种原子尺度的缺陷，构成了无数的“路障”。

如图6所示：热导率测试结果显示，这些路障极大地增强了对声子的散射作用，导致复合材料的晶格热导率出现了断崖式下降，最低降至0.38 W/(m·K)，远远低于纯碲化铋材料。

为了探究最优效果，研究人员还对比了不同尺寸的石墨烯量子点（平均尺寸5纳米 vs 20纳米）以及氧化石墨烯（GO）对材料性能的影响。

如图8所示：不同量子点尺寸的热电性能对比图揭示，加入了20纳米石墨烯量子点的材料表现出了最为优异的综合性能。研究人员分析认为，这是因为20纳米的量子点不仅存在于纳米晶粒内部，还分布在晶界处，这种分布方式在保持较高导电性的同时，进一步增强了对声子的散射。

经过测试，含有20纳米石墨烯量子点的复合材料在425 K（约152℃）时，热电优值（ZT，衡量热电转换效率的核心指标）达到了0.55。这一结果不仅高于未复合量子点的纯碲化铋纳米片，也展示了这种结构设计在提升热电性能上的巨大潜力。

学者介绍：刘屹东，中国科学院力学研究所研究员、博士生导师，国家级特聘专家。主要从事高性能材料与器件、合成化学及功能材料研究，研究内容涉及高性能聚合物与复合材料、新能源与储能材料、热管理与相变材料、石墨烯及二维材料等方向，聚焦材料结构设计、合成制备与性能调控，以及先进功能材料在能源存储、电子器件和工程应用中的关键科学与技术问题。

ORCID：0000-0002-8412-9076

DOI：10.1021/acsami.6b14274

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