DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60284-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40442092
تاريخ النشر: 2025-05-29
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد والأجهزة الحرارية الكهربائية المتقدمة
طرق
في هذه الدراسة، تضمنت المواد المستخدمة حمض L-أسكوربيك، وثاني أكسيد السيلينيوم، ونترات الفضة (AgNO₃)، جميعها تم الحصول عليها من شركة سينوفارم للمواد الكيميائية المحدودة (الصين). تم تزويد أكسيد الجرافين (GO) من قبل شركة العنصر السادس (تشانغتشو) لتكنولوجيا المواد المحدودة، بينما تم الحصول على β-سيكلوديكسترين من شركة شنجهاي علاء الدين للتكنولوجيا الحيوية المحدودة. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على الإيثيلين غليكول (EG، >99%) من ألفا أيسار. تم اختيار هذه المواد لملاءمتها لتصميم التجربة وأهداف البحث.
نتائج
في هذه الدراسة، يقدم المؤلفون تصميمًا هيكليًا جديدًا لفيلم حراري كهربائي مرن عالي الأداء يدمج أسلاك نانوية من Ag\(_2\)Se، وأكسيد الجرافين المخفض (rGO)، وغشاء نايلون. التقنية المستخدمة في الضغط الساخن تؤدي إلى فيلم ذو اتجاه قوي (013)، مما يعزز الحركة الذاتية ($\mu$) والموصلية ($\sigma$). شبكة rGO تحسن من حركة الإلكترونات، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في $\sigma$. يحقق الفيلم قيمة مميزة من حيث الأداء الحراري الكهربائي، تتميز بقيمة $S^2 \sigma$ تبلغ 37 μW cm\(^{-1}\) K\(^{-2}\) عند 300 كلفن، مع معامل سيبيك ($S$) قدره -158 μV K\(^{-1}\) وموصلية ($\sigma$) تبلغ 1481 S cm\(^{-1}\). بالإضافة إلى ذلك، تعمل واجهات Ag\(_2\)Se-rGO على تقليل الموصلية الحرارية ($\kappa_l$) إلى حوالي 0.09 W m\(^{-1}\) K\(^{-1}\)، مما يؤدي إلى قيمة عالية من حيث الأداء غير البعدي ($ZT$) تبلغ 1.28.
كما قام المؤلفون بتصنيع مولد حراري كهربائي (TEG) كبير الحجم (14 × 14 cm\(^2\)) خارج المستوى يتكون من 100 زوج من الأرجل الحرارية الكهربائية بناءً على فيلم Ag\(_2\)Se-rGO. حقق هذا المولد طاقة إنتاجية تنافسية ($\omega$) تبلغ 6.7 mW cm\(^{-2}\) عند فرق درجة حرارة ($\Delta T$) قدره 26 كلفن، مع كثافة طاقة معيارية ($\omega_n$) تتجاوز 9.8 μW cm\(^{-2}\) K\(^{-2}\)، متجاوزة العديد من مولدات الأفلام الرقيقة والمواد الضخمة الموجودة. عند تطبيقه في التكنولوجيا القابلة للارتداء، نجح المولد في تشغيل أجهزة مثل مقياس الحرارة والرطوبة وساعة اليد، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات العملية في مراقبة الصحة.
مناقشة
في هذه الدراسة، استكشف المؤلفون تأثير تغيير محتوى أكسيد الجرافين المخفض (rGO) على الأداء الحراري الكهربائي لأفلام Ag₂Se، التي تم تصنيعها باستخدام طريقة جديدة للموجات فوق الصوتية المعززة بالحرارة العالية. تتناقض هذه الطريقة مع تقنيات الشيخوخة التقليدية، حيث تتضمن تخليقًا من ثلاث خطوات: إعداد أسلاك نانوية من السيلينيوم، وإدماج rGO أثناء تشكيل أسلاك Ag₂Se النانوية، وإنشاء أفلام مركبة كثيفة من خلال الضغط الساخن. أظهرت النتائج أن هذه الطريقة تعزز بشكل كبير من بلورية وموحدة الأسلاك النانوية، مما يؤدي إلى تحسين الخصائص الهيكلية في الأفلام النهائية. ومن الجدير بالذكر أن إدماج rGO لم يزد فقط من أحجام الحبوب في Ag₂Se ولكن أيضًا حافظ على اتجاه مفضل قوي (013)، وهو أمر حاسم لتحسين نقل الحاملات وتعزيز الأداء الحراري الكهربائي.
تم تقييم الخصائص الحرارية الكهربائية لأفلام Ag₂Se، مما كشف عن موصلية من النوع n مع زيادة ملحوظة في الموصلية الكهربائية ($\sigma$) ومعامل سيبيك ($S$) عند إضافة rGO، خاصة عند تركيز 0.02 wt%. حققت هذه التركيبة المحددة قيمة قياسية عالية لـ $S^2\sigma$ تبلغ حوالي 37 μW cm⁻¹ K⁻² وقيمة ZT تبلغ 1.28 عند 300 كلفن، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في المواد الحرارية الكهربائية القائمة على Ag₂Se. علاوة على ذلك، أظهرت الدراسة التطبيق الناجح لهذه الأفلام في مولد حراري كهربائي مرن (TEG)، قادر على تشغيل الأجهزة الإلكترونية منخفضة الطاقة، مما يبرز الإمكانية للتطبيقات العملية في الإلكترونيات القابلة للارتداء وتقنيات جمع الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-60284-5
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40442092
Publication Date: 2025-05-29
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Advanced Thermoelectric Materials and Devices
Methods
In this study, the materials utilized included L-Ascorbic acid, selenium dioxide, and silver nitrate (AgNO₃), all procured from Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd. (China). Graphene oxide (GO) was supplied by The Sixth Element (Changzhou) Materials Technology Co., Ltd., while β-Cyclodextrin was obtained from Shanghai Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd. Additionally, ethylene glycol (EG, >99%) was sourced from Alfa Aesar. These materials were selected for their relevance to the experimental design and objectives of the research.
Results
In this study, the authors present a novel structural design for a high-performance, flexible thermoelectric film that integrates Ag\(_2\)Se nanowires, reduced graphene oxide (rGO), and a nylon membrane. The hot-pressing technique employed results in a film with a strong (013) orientation, enhancing the intrinsic mobility ($\mu$) and conductivity ($\sigma$). The rGO network improves electron mobility, leading to a significant increase in $\sigma$. The film achieves a remarkable thermoelectric figure of merit, characterized by a $S^2 \sigma$ value of 37 μW cm\(^{-1}\) K\(^{-2}\) at 300 K, with a Seebeck coefficient ($S$) of -158 μV K\(^{-1}\) and conductivity ($\sigma$) of 1481 S cm\(^{-1}\). Additionally, the Ag\(_2\)Se-rGO interfaces effectively reduce thermal conductivity ($\kappa_l$) to approximately 0.09 W m\(^{-1}\) K\(^{-1}\), resulting in a high dimensionless figure of merit ($ZT$) of 1.28.
The authors also fabricated a large-area (14 × 14 cm\(^2\)) out-of-plane thermoelectric generator (TEG) composed of 100 pairs of thermoelectric legs based on the Ag\(_2\)Se-rGO film. This TEG achieved a competitive power output ($\omega$) of 6.7 mW cm\(^{-2}\) at a temperature difference ($\Delta T$) of 26 K, with a normalized power density ($\omega_n$) exceeding 9.8 μW cm\(^{-2}\) K\(^{-2}\), surpassing many existing thin-film and bulk material TEGs. When applied in wearable technology, the TEG successfully powered devices such as a thermo-hygrometer and a wristwatch, highlighting its potential for practical applications in health monitoring.
Discussion
In this study, the authors explored the impact of varying reduced graphene oxide (rGO) content on the thermoelectric performance of Ag₂Se films, synthesized using a novel high-temperature-assisted ultrasonication method. This approach, which contrasts with traditional aging techniques, involves a three-step synthesis: the preparation of Se nanowires, the incorporation of rGO during the formation of Ag₂Se nanowires, and the creation of dense composite films through hot pressing. The results indicated that this method significantly enhances the crystallinity and uniformity of the nanowires, leading to improved structural properties in the final films. Notably, the incorporation of rGO not only increased the grain sizes of Ag₂Se but also maintained a strong preferential (013) orientation, which is crucial for optimizing carrier transport and enhancing thermoelectric performance.
The thermoelectric properties of the Ag₂Se films were evaluated, revealing n-type conductivity with a notable increase in electrical conductivity ($\sigma$) and Seebeck coefficient ($S$) upon the addition of rGO, particularly at a concentration of 0.02 wt%. This specific formulation achieved a record-high $S^2\sigma$ value of approximately 37 μW cm⁻¹ K⁻² and a ZT value of 1.28 at 300 K, marking a significant advancement in Ag₂Se-based thermoelectric materials. Furthermore, the study demonstrated the successful application of these films in a flexible thermoelectric generator (TEG), capable of powering low-power electronic devices, thereby highlighting the potential for practical applications in wearable electronics and energy harvesting technologies.