【“去皮”打開多晶材料熱電應用大門】熱電發電機能將廢熱轉化為電能,而且不產生溫室氣體排放。這些設備為火星探測器提供了動力,但高昂的成本阻礙了其廣汎應用。現在,研究人員找到了一種製造便宜又高效的熱電材料的方法。這可能為新一代更環保的汽車發動機、工業爐和其他能源產生設備的研制鋪平道路。相關論文近日刊登於《自然—材料》。

圖:多晶硒化錫可以幫助將余熱轉化為電能。來源:美國西北大學

“這看起來是一個實現高性能的非常聰明的方法。”未參與該研究的北京航空航天大學材料科學家趙立東說,在這些材料成為高性能熱電發電機之前,還需要進一步研究,“我認為這在不久的將來有望投入使用”。

熱電元件是放置在高溫表面的半導體器件,分為熱面和冷面。它們的工作原理是利用熱量將電荷從一邊推到另一邊。如果設備熱的一邊加熱了冷的一邊,電流就會停止流動。該設備防止這種情況發生及其傳導電子的能力,有一個分數衡量,即ZT。

在過去20年里,研究人員已經生產出了增加ZT的熱電材料。2014年,美國西北大學材料科學家Mercouri Kanatzidis和同事發現了一種ZT為3.1的硒化錫單晶。然而,這種材料很難製造,而且太脆弱,難以使用。

因此,Kanatzidis團隊決定用錫和硒粉製造熱電材料。經過加工,研究人員生產出多晶的硒化錫顆粒,它們價格低廉,可以加熱並壓縮成3至5厘米長的鑄塊,然後制成設備。Kanatzidis預測單個晶粒之間的邊界會減緩熱量的傳遞,但測試卻顯示多晶材料的熱導率會急劇上升,ZT分數低至1.2。

2016年,西北大學研究小組發現了問題的根源,多晶硒化錫顆粒被壓成錠之前,它們周圍形成了一層超薄的氧化錫皮。這種皮就像一條快速通道,讓熱量在顆粒間傳遞。因此,在新研究中,Kanatzidis和同事,利用加熱將氧氣從粉狀前體中驅走,留下多晶硒化錫。

研究人員表示,該材料的ZT為3.1。這為用多晶硒化錫顆粒製造新設備以及探索它們的應用打開了大門。

目前,該團隊在多晶硒化錫中添加了鈉原子,創造了一種“p型”材料,可以導電。為了製造可工作的設備,研究人員還需要一個“n型”版本來傳導負電荷。

趙立東團隊最近報道了用溴原子使“n型”單晶硒化錫帶電的方法。Kanatzidis說,他的團隊現在正在研制一種“n型”多晶版本。一旦“n型”和“p型”硒化錫裝置配對,研究人員就有了一條製造新一代超高效熱電發電機的道路。這些裝置能用於汽車尾氣管、熱水器和工業爐等設備。http://t.cn/A6IwsPCj

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