前沿科技之新材料讓溫差發電變得實用

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如果有種實用且廉價的設備可以直接把熱量轉化為電能，那么它必然可以改變從汽車到發電廠等各個領域的能量利用方式。研究者制造出的新型材料的熱電轉化效率比之前的溫差電材料提高了20%，從而使這樣的設備朝著實用化更進一步。更重要的是，這種材料不需要任何困難或昂貴的制造技術，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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. V; v8 g* J: j6 A8 q+ H8 P我們現在浪費了大量的熱，這些熱通過汽車的排氣口和發電廠的煙囪排入了大氣。溫差電材料可以利用這些熱發電，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用。溫差電技術目前只獲得了一些利基的商業應用。除了產生電能之外，溫差電材料也可以起到相反的作用，即利用電流轉移熱量從而冷卻便攜設備，或是在汽車中為座椅加熱。它們也被用在航天任務中充當電源。
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; G$ R* i; b/ W: q: M不同于之前的溫差電材料，這種《自然》期刊上發表的論文中所描述的新材料，其轉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電機的負擔并節約燃料。
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, Z2 v7 c  Q/ @* z% a3 ]! l2 x溫差電材料會阻攔從其中通過的熱量，但允許電子流動，從而產生電流。新材料隔熱能力尤其突出，因為它利用了材料內部的微觀隔斷，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則晶體結構。而為了在較大尺度上破壞結構，他們把納米尺寸的相同材料片段混合進來，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合在一起的，” 領導這項研究的西北大學化學教授莫科瑞•卡納茨迪斯（Mercouri Kanatzidis）說。
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這項研究成功的關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這個要求，一個是在材料摻入會增加材料中的電子數的雜質，另外則是選擇可以在大塊材料中自動按照某種方式調整朝向的納米結構片段，產生可以讓電子無阻礙運動的通路。
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# z6 T" z! o$ b; J4 a美國能源部的技術開發主管約翰•費爾班克斯（John Fairbanks）稱這種新材料是“一個偉大的進步，”但是他也提醒想讓這種材料成功商業化可能面臨著挑戰。他說一個熱電設備同時需要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，即使其中含的鉛遠比一般的機動車電池要少。這種材料也可能用在工業環境或是發電廠中，來幫助捕集廢熱。