基于多层石墨烯电极材料的热离子发电器件性能研究
热离子发电技术具有热电转换效率高、功率质量比高等优点，是现阶段最具潜力的静态热电技术之一。目前传统热离子发电器件(TEC)的电极材料功函数较高，TEC只有在高温工况下才具备较为可观的电性能输出，使得热源种类选择受限、降低了器件发电效率，因此研制具有低功函数的新型电极材料是进一步提升TEC应用潜力与输出电性能的关键方向之一。本文提出了以Ni为基底、多层石墨烯为涂层的复合结构电极，通过Cs/O激活以达到降低电极材料功函数的目的，在此基础上，对发电器件开展了相关输出电性能的影响因素分析与优化设计工作。本文的主要研究内容总结如下: (1)为获得以石墨烯为涂层的电极材料功函数降低的理论支撑，对典型Anderson-Newns吸附模型进行了修正，建立了适用于Cs-O-Cs复杂粒子在石墨烯表面吸附的功函数计算模型。计算表明，Cs-O-Cs分子在石墨烯层间充分吸附后功函数最大能降低4.0eV，因此从理论上证明了Cs-O-Cs分子的充分吸附可以使电极材料功函数得到有效降低。 (2)为实现以石墨烯为涂层的电极材料的功函数降低，开展了以20层石墨烯为涂层的电极材料Cs/O激活测试验证实验。结果表明:样品表面功函数由激活前的4.3eV降低至0.95eV，降低幅度约为77.9％，且激活后样品表面的Cs、O元素的化学状态与含量发生了显著变化，实验上验证了Cs-O-Cs分子吸附制备低功函数电极材料的可行性。 (3)基于充铯型TEC输出电性能计算模型，开展了不同因素对器件输出的影响因素分析。在此基础上，对典型结构器件进行了优化设计。结果表明:发射极温度为1500K时，对于“Mo发射极-Ni+石墨烯涂层接收极”器件，选取接收极温度695.0K，电极间距0.262mm，铯温579.1K，最大热电转换效率η=19.94％;对于“Ni发射极-Ni+石墨烯涂层接收极”器件，选取接收极温度687.0K，电极间距0.311mm，铯温572.5K，最大热电转换效率η=22.50％。 本文制备了具有超低功函数的新型石墨烯电极材料，并对具有应用潜力的充铯型TEC开展了优化设计工作，相关电极制备工艺与器件优化设计结果为后续开展高效TEC的研发奠定了重要的实践和理论基础。
热离子发电器件;电极材料;Cs-O吸附;多层石墨烯;光电性能
中国科学技术大学
硕士
核能科学与工程
姜志忠
2021
中文
TM242;TM205.1
2021-09-07（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）