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  网易探索9月21日报道 据物理学家组织网9月19日报道,美国西北大学和密歇根州立大学的机械工程师合作开发出一种稳定的环保型热电材料,热电品质因数(ZT)创下世界纪录,达到2.2,可将15%至20%的废(余)热转换成电力,成为目前最有效的热电材料。这项研究结果发表在9月20日的《自然》杂志上。

  热电材料有着广泛的工业应用,包括汽车产业,可发挥从车辆排气管排出汽油的更多潜在能量(宝马正在通过从汽车排气系统捕获热量测试热电材料);玻璃、制砖、炼油厂、煤炭和燃气电厂等重工业领域,以及大型船舶和油轮里持续运转的大内燃机等。这些领域的废热温度高达400摄氏度到600摄氏度,这个温度范围对于使用热电材料正是最有效点。过去的热电材料把热能转换为电能的效率都不高,大多只有5%到7%左右,这限制了热电材料的应用。

  新材料基于常用的半导体碲化铅,表现出的热电品质因数为2.2,热电转换效率达到15%至20%,这是迄今报告的最高效率。“好奇”号火星探测器采用的碲化铅热电材料的热电品质因数为1,效率只有这种新材料的一半。

  研究人员对碲化铅进行了一系列改造,先在其中加入钠原子,提高其导电性;然后在材料中引入纳米结构,即碲化锶纳米晶体,以减少电子散射,增加材料的能量转换效率。他们还通过更广泛的声子频谱散射穿过所有的波长,减少了散热,使热电转换效率提高了近30%。声子是一种振动能量的量子,每一个具有不同的波长。当热流经材料时,声子的频谱会被分散在不同的波长(短期、中期和长期)。

  研究人员说:“每次声子散射的热导率降低,就意味着转换效率的提高。”他们将分散短期、中期和长期波长的三种技术结合于一种材料里同时工作,这是第一次同时在频谱范围内分散所有的三种光。这种成功地集成全尺度的声子散射方法超越了纳米结构,是一种非常创新的设计,适用于所有的热电材料。