随着能源危机和温室效应的日益加剧,人们对于可再生能源的开发和利用愈发重视。目前,绝大多数消耗的能源以废热的形式流入环境,它们普遍存在于汽车发动机、工业生产和电力电子产品中。因此,对于废热的回收利用可以从根本上提高能源的利用率,从而缓解经济发展、环境和能源之间存在的矛盾,现已成为当前研究的热点问题。然而,传统的固态废热回收技术,如热电产生器和热光伏电池,仍然受限于较低的功率输出和转换效率。随着纳米科技与二维材料的发展,石墨烯热离子能量转换器件和热辐射器件为当今的废热回收技术革命带来了新的机遇与途径。作为两种新型的可持续能源系统,这两种器件可以有效的利用高低品位废热,并且实现较高的功率输出和能量转化效率。这将有助于人类降低对化石燃料的过度依赖,从而减少环境污染和温室效应。本文基于有限时间热力学的理论框架,研究了非理想情况下的石墨烯热离子能量转换器件和热辐射系统。不仅探究了非理想因素对系统性能特性的影响,而且给出了系统最优的参数设计和工作条件。本文主要由三部分组成。第一部分包括第二到第四章,主要研究石墨烯热离子能量转换器件对高品位热能的回收利用及其在光电转换方面的应用,探究了三维狄拉克材料作为发射极在热离子能量转换器件中的潜在应用。该部分内容基于石墨烯和三维狄拉克材料的热离子发射理论,构建了考虑非理想因素的热离子能量转换器件。以石墨烯为发射极的真空热离子发电机,能够有效地利用高品位热能,并且实现较高的功率输出和能量转化效率。相比于传统的金属材料作为发射极,石墨烯可以耐受更高的温度,发射更多的电子,从而表现出更好的性能。在此基础上,进一步提出了石墨烯热离子太阳能电池,作为一种新概念的光电转换器件。它具有低成本、结构简单、高效率的优点。通过考虑多种不可逆损失,构建了完善自洽的理论模型,从而确定了不同太阳能聚光度下电池的最优结构参数和工作条件。最后,从理论上研究了三维狄拉克半金属的热离子发射,然后进一步探究了其作为热离子能量转换器阴极材料的可行性。基于狄拉克点附近线性的能量色散关系和狄拉克哈密顿量,推导出三维狄拉克半金属热离子发射的电流密度的广义解析表达式,并且发现其与传统金属材料服从的Richardson-Dushman定律有明显不同。其原因在于在三维狄拉克半金属中,电子类似于无质量的狄拉克费米子,并且遵循超相对论准粒子动力学。利用三维狄拉克半金属作为阴极材料构建了真空热离子发电机的理论模型,研究了器件的热力学性能及优化特性,确定了电极材料选择、优化设计和最优操作。该部分研究作为新型材料电子发射的研究热点对深刻理解狄拉克材料的热离子发射具有重要的理论意义,也为开发新型的低维材料热电器件及其实际的应用提供了重要的理论指导。第二部分包括第五与第六章,主要研究热辐射能量转换器件的热力学优化及其在中低品位废热利用方面的应用。该部分内容基于半导体p-n结的热辐射理论,构建了考虑非理想因素的热辐射能量转换器件。通过引入一个与辐射、非辐射复合相关的权衡因子,从而更新了热辐射电池的理论模型。不仅探究了非理想因素对热辐射系统性能特性的影响,而且给出了更新后系统的最优参数设计和工作区域。通过比较热辐射系统、热光伏系统和热离子系统的性能,结果表明,热辐射系统不仅具有结构简单、生产成本低、功率输出和转换效率高等优点,而且在中品位热能利用方面更具有优势。进一步设计了一个纳米尺度下的InSb热辐射系统来探索其在低品位热能利用方面的潜在优势。这里充分考虑了系统中存在的光学损失、电学损失和热损失,以及温度对半导体参数的影响。不仅给出了系统在不同温度区域的最优工作参数,而且明确了此系统中起主要作用的损失机制。研究表明,该系统相对于传统的固态热电器件在低品位热能利用方面表现出更好的性能。另外,小于禁带宽度的光子辐射损失和三种非辐射复合损失是热辐射器件中存在的最主要的两种不可逆损失。这里所提出的InSb热辐射器件可为实际器件的优化设计和技术应用提供有效的理论指导,为正在进行的新型固态低品位热能利用器件的探索提供了新的途径。第三部分包括第七与第八章,在前两部分的基础上,提出了石墨烯热离子器件与热辐射电池耦合系统的模型,并且探究了它在光电转换方面的潜在应用。该器件可以同时利用电子和光子,从而使得系统的热利用和性能得到一个很大的提升。研究表明,相比于单个的热离子能量转换器件或者热辐射电池,混合系统在一个扩展的温度范围内具有更高的功率输出和能量转换效率的优势。该部分的研究内容为热离子-热辐射混合系统的优化设计和能量损失机制研究提供了新的途径,同时为可替代的能源利用器件的不断发展铺平了道路。研制新型高效热电、光电转换器件,有效开发利用新能源,可弥补我国优质能源少、长期依赖以煤炭为主的能源结构短板,缓解严峻的生态环境问题,促进我国可持续发展战略的实施。本文对石墨烯热离子和热辐射器件进行了较深入的研究,取得的结果不仅有理论意义,而且有应用前景,可促进热离子和热辐射器件的开发应用。