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新材料提供了将废热转化为能源的环保解决方案,科学家们已经展示了一种可用于设备开发的实用形式的高性能热电材料,中国化工网,okmart.com
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新材料提供了将废热转化为能源的环保解决方案,科学家们已经展示了一种可用于设备开发的实用形式的高性能热电材料
2021年08月10日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

NASA 的 2020 年火星探测器 Perseverance 由地球上非常受欢迎的东西提供动力:一种将热量转化为有用电能的热电装置。


在火星上,热源是钚的放射性衰变,装置的转换效率为4-5%。这足以为 Perseverance 及其操作提供动力,但对于地球上的应用程序来说还不够好中国化工网okmart.com


来自西北大学和韩国首尔国立大学的一组科学家现在已经展示了一种可用于设备开发的实用形式的高性能热电材料。这种材料——多晶形式的纯化硒化锡——在将热转化为电能方面优于单晶形式,使其成为有记录以来最有效的热电系统。研究人员在识别并消除了早期研究中降低性能的氧化问题后,能够实现高转化率。


多晶硒化锡可以开发用于各种行业的固态热电设备,具有巨大的节能潜力。一个关键的应用目标是收集工业废热——例如来自发电厂、汽车工业以及玻璃和制砖厂的废热——并将其转化为电能。全球超过 65% 的化石燃料能源以废热形式流失。


“热电设备正在使用中,但仅限于小众应用,例如在火星探测器中,”西北大学的专门从事新材料设计的化学家 Mercouri Kanatzidis 说。“这些设备还没有像太阳能电池那样流行,制造好的设备面临着重大挑战。我们正专注于开发一种低成本、高性能的材料,并推动热电设备得到更广泛的应用。”


Kanatzidis 是温伯格艺术与科学学院的 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化学教授,是该研究的共同通讯作者。他与阿贡国家实验室联合任命。


热电材料的详细信息及其创纪录的高性能将于 8 月 2 日发表在《自然材料》杂志上。


首尔国立大学的In Chung是该论文的另一位共同通讯作者。西北麦考密克工程学院材料科学与工程教授 Vinayak Dravid 是该研究的资深作者之一。Dravid 是 Kanatzidis 的长期合作者。


Kanatzidis 说,热电设备已经有了很好的定义,但使它们工作良好与否的是内部的热电材料。设备的一侧很热,另一侧很冷。热电材料位于中间。热量流过材料,部分热量转化为电能,通过电线离开设备。


该材料需要具有极低的导热性,同时仍保持良好的导电性,才能有效地进行废热转换。由于热源可能高达 400-500 摄氏度,因此材料需要在非常高的温度下保持稳定。这些挑战和其他挑战使得热电设备比太阳能电池更难生产。


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2014 年,Kanatzidis 和他的团队报告发现了一种令人惊讶的材料,这种材料在将废热转化为有用的电能方面是世界上最好的:化合物硒化锡的晶体形式。虽然是一个重要的发现,但单晶形式由于其易碎性和剥落倾向而无法大规模生产。


需要多晶形式的硒化锡,它更坚固,可以切割和成型以用于应用,因此研究人员转向研究这种形式的材料。令人不快的是,他们发现该材料的导热系数很高,而不是单晶形式中理想的低水平。


“我们意识到正在发生一些可怕的事情,”卡纳齐迪斯说。“人们期望多晶形式的硒化锡不会具有高导热性,但确实如此。我们遇到了问题。”


经过仔细检查,研究人员在材料上发现了一层氧化锡。热量流过导电表层,增加了热导率,这在热电装置中是不希望的。


找到解决方案,打开大门


在了解到氧化来自过程本身和起始材料后,韩国团队找到了一种去除氧气的方法。然后,研究人员可以在没有氧气的情况下生产硒化锡颗粒,然后对其进行测试。


测量了多晶形式的真实热导率,发现其较低,正如最初预期的那样。它作为一种热电装置,将热量转化为电能,其性能超过了单晶形式,使其成为有记录以来效率最高的。


热电中废热转换的效率通过其“品质因数”(一个称为 ZT 的数字)反映出来。数字越高,转化率越高。早先发现单晶硒化锡的 ZT 在 913 开尔文时约为 2.2 至 2.6。在这项新研究中,研究人员发现多晶形式的纯化硒化锡在 783 开尔文下的 ZT 约为 3.1。其热导率极低,低于单晶。


Kanatzidis 说:“这为用多晶硒化锡颗粒制造新设备及其应用探索打开了大门。”


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