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  • 通過熱電材料的納米結構調整,實現熱電效率的大幅度提高

    熱電材料可以將熱能轉化為電能,這對可持續能源生產極具吸引力,特別是工業領域,因為很多工業領域有可能會有三分之二以上的能源以熱能的形式被浪費掉。但熱電能源的大規模生產目前受到低能量轉換效率的限制?,F在,代爾夫特理工大學材料科學與工程系的研究人員Biswanath Dutta和Poulumi Dey不僅解釋了熱電材料中的納米結構如何提高能源效率,還提出了一種具有商業吸引力的納米結構熱電材料制造方法,增加了熱電能源大規模生產的機會。研究成果發表在《Nano Energy》上。

    Dutta和Dey工作的出發點是他們在韓國的合作研究人員提供的實驗結果,他們正在研究一種熱門的熱電材料,即所謂的NbCoSn半休斯勒化合物。"這是一種特殊類型的晶體結構,"Dutta解釋說。"通過調節每個元素的數量和位置,例如把更多的鈮放在鈷的位置上,就可以看到它是如何影響材料的整體效率。"

    韓國合作者的研究結果表明,在特定的溫度下,這種材料內形成了某些種類的納米結構。于是Dutta和Dey根據這些觀察結果進行了理論模擬。"首先,我們模擬了在不同的位置增加一個或兩個額外的鈷原子的效果,以找出是否會增加效率,"Dey說。"結果發現,這個鈷的位置確實對這種材料的整個性能有重要作用,這是做實驗的團隊無法真正解釋的,因為這超出了他們測量的分辨率。"

    此外,Dutta和Dey還能夠證明一種被稱為能量過濾的效應。"你可以把它看成是一種屏障,阻擋低于一定能量的電子,從而提高整體的導電性,"Dutta解釋道。"通過過濾掉低能電子,讓高能電子通過,整體效率就會提高。"

    "這是一種納米結構效應,"Dey說。"是材料的其他部分形成的納米結構,以及它們之間的界面,起到了屏障的作用,所以如果沒有這些納米結構,你就不會有這種效果,因為沒有界面。但只要這些納米結構形成了,你就會得到這些界面,這些界面阻擋了低能電子,但允許高能電子通過,其結果是提高了整體的能源效率。"

    最終,代爾夫特理工大學的模擬結果表明,這種量身定制的NbCoSn熱電材料的能量效率提高有兩個原因:在晶格結構中被稱為間隙位點的特定位置上存在額外的鈷原子,還有能量過濾效應。

    此外,對這種納米結構熱電材料節能性的理解,表明了一種更好、更適用的熱電生產方式。"目前,納米結構熱電材料是通過漫長而嚴格的粉碎和加熱預成型結構的過程制成的,"Dutta解釋說,"這既耗時又耗能,所以并不適合大規模生產。與其走傳統路線,團隊建議從 "非結構 "或無定形材料開始。從無定形材料開始的優勢在于它沒有底層結構,所以不需要經過漫長的研磨和加熱過程來實現均質化。所以它的能源效率更高,因此對于熱電的量產也更有用。" 對于那些從事高溫熱能回收的行業的工程師來說,這是個好消息。


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