石墨烯與航天能源技術相結合：讓發電廠更加高效環保！

導讀

一些過時的技術，經過重新改造和創新，往往也會重新煥發新的活力。最近發表於《納米能量》雜誌上的一項最新研究顯示，新型能量轉換器使用石墨烯材料取代金屬，效率能夠增加好幾倍，而且還很環保。

背景

能源，是當今人類社會所面臨的最具挑戰性的問題。目前，估計有12億的人口還無法得到充足的電力供應。熱能，是全球範圍內最充裕、最廉價和最廣泛使用的能源之一。但是，目前熱能的採集還在使用傳統的技術，美國範圍內超過80%的電力來自「機械熱發動機和渦輪機」，這種技術是19世紀的技術，且只能用於大型發電站。

然而，幾十年前被拋棄的衛星動力技術，最近再次煥發了新的生命力。它與傳統的發電站相結合，幫助它們更加高效地將熱量轉化為電力。這樣，為了獲取能量而燃燒的礦物燃料將變得更少，對環境十分有利。

創新

哈佛大學教授 Roger Howe 領導的這一最新研究，他認為新材料可以重新燃起「熱離子能量轉換」領域的希望，改進我們生產電力的方式，減少對於環境的影響。

作為替代方案，「熱離子能量轉換器」（TEC）能夠通過熱離子發射現象，將熱量更高效地轉化為電力，並且無需昂貴的大型設備。TEC 的首次開發是在1950年代，用於航天項目。但是，科學家並沒有能夠讓TEC更加有效，可以應用於工業電力生產。目前，科學家通過現代材料和方法，可以顯著提高TEC的效率。

斯坦福大學實驗室的TEC原型

（圖片來源：參考資料【2】）

TEC 由兩個電極組成，分別稱為發射極和集電極，中間有一條小型真空帶隔開。這種TEC樣機使用單層碳原子薄片（石墨烯）材料，取代鎢作為集電極材料。研究人員對這種TEC進行了測試，他們發現新材料提高了TEC的效率，使得在1000攝氏度時，熱量轉化為電力的效率提高了6.7倍。

使用石墨烯作為集電極

（圖片來源：參考資料【2】）

價值

文章的領導作者，斯坦福大學的 Hongyuan Yuan 博士評論道：

「TEC技術聽起來很棒。通過效率方面的提升，我們希望看到了巨大的市場潛力。TEC不僅能夠幫助提高發電站的效率，並且也能降低對於環境的影響，而且也可以應用於分布式系統例如太陽能電池。未來，我們認為它有希望從熱水器產生1到2千瓦的電力，從而為你的房間提供部分的電力。」

現有的TEC技術面臨兩個阻礙：

陽極表面存在高能量損耗，導致輸出電壓降低。

電子移動進發射極和集電極之間的空隙，存在高電氣障礙，帶來輸出電流減少。

新樣機首次同時解決了這兩個問題。研究成果顯示在能量轉換過程中電子效率可以達到9.8%，是迄今為止在1000攝氏度溫度條件下達到的最高效率。

未來

這項技術目前尚未完全準備好應用於發電站或者家居環境，樣機只能在真空室應用，而不能用於正常環境。研究人員正在對於真空包裝的TEC，進行真實應用中的「信賴性和效率」測試。

Yuan 博士稱：

「樣機是第一步，除此之外還有很多事需要做。但是我們目前的成果讓人感到非常有前途，將現代材料科學和傳統的能源技術完美結合，使得古老的熱離子能量轉換領域重新煥發光彩。」

參考資料

【1】https://www.ualberta.ca/news-and-events/newsarticles/2017/march/science-proves-it-people-pee-in-the-pool

【2】Hongyuan Yuan, Daniel C. Riley, Zhi-Xun Shen, Piero A. Pianetta, Nicholas A. Melosh, Roger T. Howe.Back-gated graphene anode for more efficient thermionic energy converters. Nano Energy, 2017; 32: 67 DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.12.027

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！