重大突破!美科学家研发新型热电材料 创史上最高转化率

据报道，美国西北大学(Northwestern University)的工程师们已经开发出一种新的热电材料，这可能是目前为止效率最高、可用于设备开发的实用热电材料。这项研究成果已发表在《自然材料》(Nature Materials)杂志上。

据了解，这种全新的、经过改进成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高效的热电材料。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。

热电系统通过温度梯度发电。加热一种特殊材料的一侧可以导致电子开始从较热的一边移动到较冷的一边，在这个过程中产生电流。人们希望这项技术能够帮助回收电子产品、发电厂、发动机甚至炊具中以热能形式被浪费掉的能源。

为了充分利用这项技术，热电材料需要一些特性。它们需要有高电导率和低热导率，这样当热量停留在一边时，电子可以很容易地通过。此外，它们还需要能够有效地利用温度梯度发电，理想情况下，它们应该能够承受高温。

所有这些属性都与最终的转化效率相关，并反映在它的“品质因数”上，这个数字称为ZT。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。然而，这种材料太脆弱，不适合大规模生产。

所以，研究人员开始将其制成多晶形式，这种形式更坚固，更容易根据需要切割和塑形。而且在这项新研究中，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。

研究人员表示，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。

该研究的通讯作者Mercouri 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。这些设备还没有像太阳能电池那样流行起来，要制造出好的设备还面临着重大挑战。我们正专注于开发一种低成本、高性能的材料，推动热电设备得到更广泛的应用。”

西北大学拥有硒化锡材料的知识产权。热电材料的潜在应用领域还包括汽车工业(大量汽油的势能从汽车排气管中流出)、重工业(如玻璃和制砖、炼油厂、燃煤和燃气发电厂)以及大型内燃机连续运行的地方(如大型船舶和油轮)。