前沿科技之新材料讓溫差發(fā)電變得實用

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如果有種實用且廉價的設(shè)備可以直接把熱量轉(zhuǎn)化為電能，那么它必然可以改變從汽車到發(fā)電廠等各個領(lǐng)域的能量利用方式。研究者制造出的新型材料的熱電轉(zhuǎn)化效率比之前的溫差電材料提高了20%，從而使這樣的設(shè)備朝著實用化更進(jìn)一步。更重要的是，這種材料不需要任何困難或昂貴的制造技術(shù)，而且它是碲化鉛制成的，原料的價格并不高得離譜。
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我們現(xiàn)在浪費(fèi)了大量的熱，這些熱通過汽車的排氣口和發(fā)電廠的煙囪排入了大氣。溫差電材料可以利用這些熱發(fā)電，但到目前為止，這類材料過于昂貴且低效，因此無法得到廣泛應(yīng)用。溫差電技術(shù)目前只獲得了一些利基的商業(yè)應(yīng)用。除了產(chǎn)生電能之外，溫差電材料也可以起到相反的作用，即利用電流轉(zhuǎn)移熱量從而冷卻便攜設(shè)備，或是在汽車中為座椅加熱。它們也被用在航天任務(wù)中充當(dāng)電源。

不同于之前的溫差電材料，這種《自然》期刊上發(fā)表的論文中所描述的新材料，其轉(zhuǎn)換效率足可以令溫差電源具有實用價值。這種材料的最佳工作溫度約為650°C，與在高速公路上以65英里時速行駛的汽車所排出廢氣的溫度接近。在這個溫度下，它可以把廢氣中約20%的的能量轉(zhuǎn)化為電能。這樣得到的電能可以用來給混合動力汽車的電池充電，或者減輕汽車上交流發(fā)電機(jī)的負(fù)擔(dān)并節(jié)約燃料。

溫差電材料會阻攔從其中通過的熱量，但允許電子流動，從而產(chǎn)生電流。新材料隔熱能力尤其突出，因為它利用了材料內(nèi)部的微觀隔斷，或者說晶界。在最小的尺度上，研究者在材料中加入摻雜物，在單個原子的尺度上打亂材料的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。而為了在較大尺度上破壞結(jié)構(gòu)，他們把納米尺寸的相同材料片段混合進(jìn)來，這些片段的寬度為2到10納米。最后，通過在冷卻過程中控制材料的結(jié)晶方式，他們制造出了直徑幾百納米的微小晶粒。研究者們之前已經(jīng)自己完成了這些工作的每一個步驟。“我們是首先把這些全部結(jié)合在一起的，” 領(lǐng)導(dǎo)這項研究的西北大學(xué)化學(xué)教授莫科瑞•卡納茨迪斯（Mercouri Kanatzidis）說。

這項研究成功的關(guān)鍵在于確保材料中的隔斷不會阻擋電子的流動。研究者采用了兩種手段來實現(xiàn)這個要求，一個是在材料摻入會增加材料中的電子數(shù)的雜質(zhì)，另外則是選擇可以在大塊材料中自動按照某種方式調(diào)整朝向的納米結(jié)構(gòu)片段，產(chǎn)生可以讓電子無阻礙運(yùn)動的通路。

* C7 }0 ]+ A3 q  F& y: n美國能源部的技術(shù)開發(fā)主管約翰•費(fèi)爾班克斯（John Fairbanks）稱這種新材料是“一個偉大的進(jìn)步，”但是他也提醒想讓這種材料成功商業(yè)化可能面臨著挑戰(zhàn)。他說一個熱電設(shè)備同時需要P型和N型兩個版本的材料，而這種新材料自身只是P型，因此它還需要一個搭檔。他還提出，美國和歐盟的監(jiān)管者對于在汽車上使用含鉛材料會感到遲疑，即使其中含的鉛遠(yuǎn)比一般的機(jī)動車電池要少。這種材料也可能用在工業(yè)環(huán)境或是發(fā)電廠中，來幫助捕集廢熱。
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