作者:鲁亦 来源:中国科学报 发布时间:2021/8/4 16:45:09
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廉价材料将热转化为电

 

热电发电机能将废热转化为电能,而且不产生温室气体排放。但尽管这些设备为火星探测器提供了动力,但高昂的成本阻碍了其广泛应用。现在,研究人员找到了一种制造便宜又高效热电材料的方法。这可能为新一代更环保的汽车发动机、工业炉和其他能源产生设备铺平道路。8月2日,相关论文刊登于《自然—材料》。

“这看起来是一个实现高性能的非常聪明的方法。”未参与该研究的北京航空航天大学材料科学家赵立东说,在这些材料成为高性能热电发电机之前,还需要进一步研究,“我认为这在不久的将来有望投入使用”。

热电元件是放置在高温表面的半导体器件,它们有远离热表面的热面和冷面。它们的工作原理是利用热量将电荷从一边推到另一边。如果设备让热的一边加热冷的一边,电流就会停止流动。一种设备防止这种情况发生及其传导电子的能力,有一个分数衡量,即ZT。

在过去20年里,研究人员已经生产出了增加ZT的热电材料。2014年,美国西北大学材料科学家Mercouri Kanatzidis和同事发现了一种ZT为3.1的硒化锡单晶。然而,这种材料很难制造,而且太脆弱,难以使用。

因此, Kanatzidis团队决定用锡和硒粉制造热电材料。研究人员经过加工,产生出多晶的硒化锡颗粒,这些多晶颗粒价格低廉,可以加热并压缩成3至5厘米长的铸块,然后制成设备。Kanatzidis预测单个晶粒之间的边界会减缓热量的传递,但测试却显示多晶材料的热导率会急剧上升,ZT分数低至1.2。

2016年,西北大学研究小组发现了问题的根源:多晶硒化锡颗粒被压成锭之前,它们周围形成了一层超薄的氧化锡皮。这种皮就像一条快速通道,让热量在颗粒间传递。因此,在新研究中,Kanatzidis和同事,利用加热将氧气从粉状前体中驱走,留下多晶硒化锡。

研究人员表示,该材料的ZT为3.1。这为用多晶硒化锡颗粒制造新设备以及探索它们的应用打开了大门。

目前,该团队在多晶硒化锡中添加了钠原子,创造了一种“p型”材料,可以导电。为了制造可工作的设备,研究人员还需要一个“n型”版本来传导负电荷。

赵立东团队最近报道了用溴原子使“n型”单晶硒化锡带电的方法。Kanatzidis说,他的团队现在正在研制一种“n型”多晶版本。一旦“n型”和“p型”硒化锡装置配对,研究人员就有了一条制造新一代超高效热电发电机的清晰道路。这些装置能用于汽车尾气管、热水器和工业炉等设备,能减少65%的化石燃料能量,这些能量最终会成为废热。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41563-021-01064-6

 

 
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