前沿科技之新材料让温差发电变得实用

扫街

如果有种实用且廉价的设备可以直接把热量转化为电能，那么它必然可以改变从汽车到发电厂等各个领域的能量利用方式。研究者制造出的新型材料的热电转化效率比之前的温差电材料提高了20%，从而使这样的设备朝着实用化更进一步。更重要的是，这种材料不需要任何困难或昂贵的制造技术，而且它是碲化铅制成的，原料的价格并不高得离谱。

% W2 J3 W* o+ ^4 K; I! s$ i3 B6 L0 k' j我们现在浪费了大量的热，这些热通过汽车的排气口和发电厂的烟囱排入了大气。温差电材料可以利用这些热发电，但到目前为止，这类材料过于昂贵且低效，因此无法得到广泛应用。温差电技术目前只获得了一些利基的商业应用。除了产生电能之外，温差电材料也可以起到相反的作用，即利用电流转移热量从而冷却便携设备，或是在汽车中为座椅加热。它们也被用在航天任务中充当电源。

不同于之前的温差电材料，这种《自然》期刊上发表的论文中所描述的新材料，其转换效率足可以令温差电源具有实用价值。这种材料的最佳工作温度约为650°C，与在高速公路上以65英里时速行驶的汽车所排出废气的温度接近。在这个温度下，它可以把废气中约20%的的能量转化为电能。这样得到的电能可以用来给混合动力汽车的电池充电，或者减轻汽车上交流发电机的负担并节约燃料。

温差电材料会阻拦从其中通过的热量，但允许电子流动，从而产生电流。新材料隔热能力尤其突出，因为它利用了材料内部的微观隔断，或者说晶界。在最小的尺度上，研究者在材料中加入掺杂物，在单个原子的尺度上打乱材料的规则晶体结构。而为了在较大尺度上破坏结构，他们把纳米尺寸的相同材料片段混合进来，这些片段的宽度为2到10纳米。最后，通过在冷却过程中控制材料的结晶方式，他们制造出了直径几百纳米的微小晶粒。研究者们之前已经自己完成了这些工作的每一个步骤。“我们是首先把这些全部结合在一起的，” 领导这项研究的西北大学化学教授莫科瑞•卡纳茨迪斯（Mercouri Kanatzidis）说。

这项研究成功的关键在于确保材料中的隔断不会阻挡电子的流动。研究者采用了两种手段来实现这个要求，一个是在材料掺入会增加材料中的电子数的杂质，另外则是选择可以在大块材料中自动按照某种方式调整朝向的纳米结构片段，产生可以让电子无阻碍运动的通路。
$ T2 a/ v- ?. B- |) m( ]/ S8 I
美国能源部的技术开发主管约翰•费尔班克斯（John Fairbanks）称这种新材料是“一个伟大的进步，”但是他也提醒想让这种材料成功商业化可能面临着挑战。他说一个热电设备同时需要P型和N型两个版本的材料，而这种新材料自身只是P型，因此它还需要一个搭档。他还提出，美国和欧盟的监管者对于在汽车上使用含铅材料会感到迟疑，即使其中含的铅远比一般的机动车电池要少。这种材料也可能用在工业环境或是发电厂中，来帮助捕集废热。