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热电新材料可防热量浪费

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来源: 作者: 2019-05-17 02:33:58

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硒化锡材料成为回收利用废热领域研究领跑者。图片来源:美国西北大学

化石燃料通过生成热量造就了现代社会,但这一过程中的大部分热量都被浪费了。研究人员试图使用被称为“热电”的半导体设备回收一些热量,但它们中的大多数仍旧十分低效且昂贵。

现在,美国伊利诺伊州的科学家报告称,他们利用一种便宜的常见材料创造了迄今为止回收效力最高的热电。研究人员称,在该进程中,他们获得了宝贵的经验,最终可以使该材料的效力满足大范围应用的需求。若能实现大范围应用,热电在将来可以为汽车提供动力,并清算锅炉和电厂等释放出的能量。

热电设备是半导体厚片,这些半导体有着奇怪却有用的特性:在其一边加热可以产生电压,用于驱动电流和电力设备。为了获得电压,热电必须是良好的电导体以及不好的热导体。不幸的是,材料的电导性和热导性常常齐头并进,因此热电效力高的材料很难获得。科学家通常用ZT值标记热电效力高的特性,大范围运用热电的ZT值最低应到达3。

几年前,由西北大学化学家Mercouri Kanatzidis领导的团队发现了碲化铅(PbTe)的ZT值可达2.2,高通王翔:LTE时代多频多模是未来的发展趋势
Kanatzidis和同事很受鼓舞,并开始测试PbTe的化学近亲。其中一种就是硒化锡(SnSe)。研究人员用不同方法合成硒化锡样本。结果显示,其中的b轴样本有较好的电导性和较低的热导率,ZT值达2.6。Kanatzidis称,超低热导率的关键似乎是锡和硒原子的褶皱排列,这种模式好像可以帮助原子在遭到热振动时发生折曲,从而减弱SnSe的导热能力。研究结果发表在近日的《自然》杂志上。

“我很惊讶。”俄亥俄州立大学物理学家Joseph Heremans说,“对这一领域来说,这是一个奇妙的结果。”Heremans认为,除了标志着向ZT值为3的热电迈进1大步之外,新材料还为未来研究的方式提供了经验。研究人员将试图通过强化微量的“搀杂”原子提高半导体的导电性,同时还保留关键的褶皱式原子排列。如果有人能成功生产出高ZT值材料,那末新的、更便宜的混合动力汽车发动机将会产生。在混合动力汽车发动机中,内燃机其实不为汽车提供动力,而是产生热量,然后由热电将其转化为电力驱动马达。

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