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      新型熱電材料提供將廢熱轉化為能源的環保解決方案
      有記錄以來效率最高的!新型熱電材料提供將廢熱轉化為能源的環保解決方案
         材料前沿洞悉         發布時間:2021-08-03 09:29:07
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      NASA 的 2020 年火星探測器 Perseverance 由地球上一種將熱量轉化為有用電能的熱電裝置提供動力。



      在火星上,熱源是钚的放射性衰變,裝置的轉換效率為4-5%。這足以為 Perseverance 及其操作提供動力,但對于地球上的應用程序來說還不夠好。



      來自西北大學和韓國首爾國立大學的一組科學家現在已經展示了一種可用于設備開發的實用形式的高性能熱電材料。這種材料:多晶形式的純化硒化錫,在將熱轉化為電能方面優于單晶形式,使其成為有記錄以來最高效的熱電系統。研究人員在識別并消除了早期研究中降低性能的氧化問題后,能夠實現高轉化率。



      多晶硒化錫可以開發用于各種行業的固態熱電設備,具有巨大的節能潛力。一個關鍵的應用目標是收集工業廢熱,例如來自發電廠、汽車工業以及玻璃和制磚廠的廢熱——并將其轉化為電能。全球超過 65% 的化石燃料能源以廢熱形式流失。



      熱電設備正在使用中,但僅限于小眾應用,例如在火星探測器中,西北大學的專門從事新材料設計的化學家 Mercouri Kanatzidis 說,這些設備還沒有像太陽能電池那樣流行起來,制造好的設備面臨著重大挑戰。我們正專注于開發一種低成本、高性能的材料,并推動熱電設備得到更廣泛的應用。



      Kanatzidis 是溫伯格藝術與科學學院的 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化學教授,是該研究的共同通訊作者。他與阿貢國家實驗室聯合任命。



      熱電材料的詳細信息及其創紀錄的高性能將于 8 月 2 日發表在《自然材料》雜志上。



      首爾國立大學的In Chung是該論文的另一位共同通訊作者。西北麥考密克工程學院材料科學與工程教授 Vinayak Dravid 是該研究的資深作者之一。Dravid 是 Kanatzidis 的長期合作者。



      Kanatzidis 說,熱電設備已經有了很好的定義,但使它們工作良好與否的是內部的熱電材料。設備的一側很熱,另一側很冷。熱電材料位于中間。熱量流過材料,部分熱量轉化為電能,通過電線離開設備。



      該材料需要具有極低的導熱性,同時仍保持良好的導電性,才能有效地進行廢熱轉換。由于熱源可能高達 400-500 攝氏度,因此材料需要在非常高的溫度下保持穩定。這些挑戰和其他挑戰使得熱電設備比太陽能電池更難生產。



      一些惡魔般的事情正在發生



      2014 年,Kanatzidis 和他的團隊報告發現了一種令人驚訝的材料,這種材料在將廢熱轉化為有用的電能方面是世界上最好的:化合物硒化錫的晶體形式。雖然是一個重要的發現,但單晶形式由于其易碎性和剝落傾向而無法大規模生產。



      需要多晶形式的硒化錫,它更堅固,可以切割和成型以用于應用,因此研究人員轉向研究這種形式的材料。令人不快的是,他們發現該材料的導熱系數很高,而不是單晶形式中理想的低水平。



      我們意識到正在發生一些可怕的事情,卡納齊迪斯說、人們期望多晶形式的硒化錫不會具有高導熱性,但確實如此。我們遇到了問題。



      經過仔細檢查,研究人員在材料上發現了一層氧化錫。熱量流過導電表層,增加了熱導率,這在熱電裝置中是不希望的。



      找到解決方案,打開大門



      在了解到氧化來自過程本身和起始材料后,韓國團隊找到了一種去除氧氣的方法。然后,研究人員可以在沒有氧氣的情況下生產硒化錫顆粒,然后對其進行測試。



      測量了多晶形式的真實熱導率,發現其較低,正如最初預期的那樣。它作為一種熱電裝置,將熱量轉化為電能,其性能超過了單晶形式,使其成為有記錄以來效率最高的。



      熱電中廢熱轉換的效率反映在它的“品質因數”上,這個數字稱為 ZT。數字越高,轉化率越高。早先發現單晶硒化錫的 ZT 在 913 開爾文時約為 2.2 至 2.6。在這項新研究中,研究人員發現多晶形式的純化硒化錫在 783 開爾文下的 ZT 約為 3.1。其熱導率極低,低于單晶。

      原文鏈接:https://www.xianjichina.com/special/detail_492456.html
      來源:賢集網
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