熱電新材料可防熱量浪費

硒化錫材料成為回收利用廢熱領域研究領跑者

        化石燃料通過生成熱量造就了現代社會，但這一過程中的大部分熱量都被浪費了。研究人員試圖使用被稱為“熱電”的半導體設備回收一些熱量，但它們中的大多數仍舊十分低效且昂貴。

　　現在，美國伊利諾伊州的科學家報告稱，他們利用一種廉價的常見材料創造了迄今為止回收效率最高的熱電。研究人員稱，在該過程中，他們獲得了寶貴的經驗，最終可以使該材料的效率滿足大范圍應用的需求。若能實現大范圍應用，熱電在將來可以為汽車提供動力，并清理鍋爐和電廠等釋放出的能量。

　　熱電設備是半導體厚片，這些半導體有著奇怪卻有用的特性：在其一邊加熱可以產生電壓，用于驅動電流和電力設備。為了獲得電壓，熱電必須是良好的電導體以及不好的熱導體。不幸的是，材料的電導性和熱導性往往齊頭并進，因此熱電效率高的材料很難獲得。科學家通常用ZT值標記熱電效率高的特性，大范圍應用熱電的ZT值最低應達到3。

　　幾年前，由西北大學化學家Mercouri Kanatzidis領導的團隊發現了碲化鉛(PbTe)的ZT值可達2.2，Kanatzidis和同事很受鼓舞，并開始測試PbTe的化學近親。其中一種就是硒化錫(SnSe)。研究人員用不同方法合成硒化錫樣本。結果顯示，其中的b軸樣本有較好的電導性和較低的熱導率，ZT值達2.6。Kanatzidis稱，超低熱導率的關鍵似乎是錫和硒原子的褶皺排列，這種模式好像可以幫助原子在受到熱振動時發生折曲，從而減弱SnSe的導熱能力。研究結果發表在近日的《自然》雜志上。

　　“我很驚訝。”俄亥俄州立大學物理學家Joseph Heremans說，“對于這一領域來說，這是一個奇妙的結果。”Heremans認為，除了標志著向ZT值為3的熱電邁進一大步之外，新材料還為未來研究的方式提供了經驗。研究人員將試圖通過強化微量的“摻雜”原子提高半導體的導電性，同時還保留關鍵的褶皺式原子排列。如果有人能成功生產出高ZT值材料，那么新的、更便宜的混合動力汽車發動機將會產生。在混合動力汽車發動機中，內燃機并不為汽車提供動力，而是產生熱量，然后由熱電將其轉化為電力驅動馬達。