深圳大学陈光明教授课题组：气凝胶片状电极用于热电池的低品位热能收集

具有高电化学活性表面（ESA）的电极可以为热电池（TECs）中的氧化还原反应提供更多的活性位点，从而显著提升TECs的输出功率。深圳大学陈光明教授课题组采用自组装方法，制备了具有大孔隙率的单壁碳纳米管（SWCNTs）/还原氧化石墨烯（rGO）复合气凝胶片状电极（ASE），该电极拥有更大的ESA，显著提高了TECs的输出功率，为高性能的TECs设计提供一种新思路。

随着工业化和城市化的不断推进，人们对能源的需求持续飙升。不可再生资源的使用和对电力的需求导致了环境的恶化，加剧了人们对能源安全和资源枯竭的担忧。作为可以直接将热能转化为电能的设备，热电池（TECs）为低品质热的回收利用提供了希望。通过热电化学效应，TECs利用两个电极之间的温差来驱动氧化还原反应，从而在外部电路中产生电流。碳，特别是碳纳米管和石墨烯等纳米结构的碳，在TECs电极应用中具有重要前景，它们具有高电导率、高比表面积，这意味着有大量有利于氧化还原反应的活性位点。此外，电极的形状和结构同样会显著影响其热电化学性能。气凝胶状的电极与薄膜电极相比，具有更多的与氧化还原反应相关的活性位点，从而有望获得更大的交换电流和更高的能量输出。

最近，深圳大学陈光明教授等人通过将SWCNTs和GO进行混合再还原的自组装的方法，制备出几种不同SWCNT和rGO比例的气凝胶片状电极ASE。该电极拥有很高的ESA，显著提高了TECs的输出功率。

该工作通过调整SWCNT和GO的比例，制备出具有不同成分和结构的ASE。研究发现，随着碳管比例的提高，几种ASE都能够保持着约95%的超大的孔隙率，展现了其优异的比表面积；在SEM下观测ASE的形貌可以看到SWCNT均匀分布在rGO上，证明其均匀性较好；通过循环伏安法测试其在[Fe(CN)₆]^3-/^4-电解液中的峰值电流，计算其ESA，结果表明ASE的ESA在SWCNTs:rGO为2:2时达到最大，为30.6 cm²，其组装成的TECs在30 K温差下的最大输出功率达到22.10 μW cm⁻²。

图1. （a-d）具有不同成分的电极的SEM图像；（e）ASE 2-2的TEM图像；（f）各种电极的Raman光谱；（g）不同成分的电极在10 mV s⁻¹下的CV曲线；（h） 具有不同成分的电极的计算ESA；（i）具有不同组成的电极的R_ct值

论文第一作者为深圳大学材料学院硕士研究生莫梓威，通讯作者为深圳大学材料学院陈光明特聘教授和刘卓鑫助理教授。详见：Ziwei Mo, Shouhao Wei, Daibin Xie, Kaihua Zhu, Hongxiong Li, Xin Lu, Lirong Liang, Chunyu Du, Zhuoxin Liu*, Guangming Chen*. Self-Assembled Composite Aerogel Sheet Electrodes of Thermocells for Low-Grade Heat Harvest. Sci. China Chem., 2023, doi: 10.1007/s11426-023-1912-8

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【通讯作者简介】

陈光明，深圳大学特聘教授。一直从事聚合物/无机粒子纳米复合材料领域研究，近10余年聚焦于有机/无机复合热电材料与柔性器件设计，并探讨其在柔性与可穿戴电子、传感和物联网等领域的应用。获得European Advanced Materials Award、北京市科学技术奖二等奖、中国石油和化学工业联合会科学技术奖二等奖、北京市科技新星计划、首届中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院青年创新促进会会员/优秀会员、斯坦福大学全球前2%顶尖科学家终身与年度排行榜（2020-2023）和英国皇家化学会Top1%高被引中国学者等奖励和荣誉。

刘卓鑫，深圳大学材料学院助理教授、特聘副研究员。主要从事的研究领域为水系能源存储与转换，包括水系电池、热电池等。入选科睿唯安全球高被引科学家（2022、2023）、斯坦福大学&爱思唯尔全球前2%顶尖科学家（2023）、深圳市海外高层次人才（B类）。

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