創新型熱電材料轉換效率創世界紀錄
可將15%至20%廢（余）熱轉換成電力
2012年09月21日 12:34 4813次瀏覽 來源： 中國科技網 分類： 新技術 作者： 華凌
據物理學家組織網9月19日報道，美國西北大學和密歇根州立大學的機械工程師合作開發出一種穩定的環保型熱電材料，熱電品質因數（ZT）創下世界紀錄，達到2.2，可將15%至20%的廢（余）熱轉換成電力，成為目前最有效的熱電材料。這項研究結果發表在9月20日的《自然》雜志上。
熱電材料有著廣泛的工業應用，包括汽車產業，可發揮從車輛排氣管排出汽油的更多潛在能量（寶馬正在通過從汽車排氣系統捕獲熱量測試熱電材料）；玻璃、制磚、煉油廠、煤炭和燃氣電廠等重工業領域，以及大型船舶和油輪里持續運轉的大內燃機等。這些領域的廢熱溫度高達400攝氏度到600攝氏度，這個溫度范圍對于使用熱電材料正是最有效點。過去的熱電材料把熱能轉換為電能的效率都不高，大多只有5%到7%左右，這限制了熱電材料的應用。
新材料基于常用的半導體碲化鉛，表現出的熱電品質因數為2.2，熱電轉換效率達到15%至20%，這是迄今報告的最高效率。“好奇”號火星探測器采用的碲化鉛熱電材料的熱電品質因數為1，效率只有這種新材料的一半。
研究人員對碲化鉛進行了一系列改造，先在其中加入鈉原子，提高其導電性；然后在材料中引入納米結構，即碲化鍶納米晶體，以減少電子散射，增加材料的能量轉換效率。他們還通過更廣泛的聲子頻譜散射穿過所有的波長，減少了散熱，使熱電轉換效率提高了近30%。聲子是一種振動能量的量子，每一個具有不同的波長。當熱流經材料時，聲子的頻譜會被分散在不同的波長（短期、中期和長期）。
研究人員說：“每次聲子散射的熱導率降低，就意味著轉換效率的提高。”他們將分散短期、中期和長期波長的三種技術結合于一種材料里同時工作，這是第一次同時在頻譜范圍內分散所有的三種光。這種成功地集成全尺度的聲子散射方法超越了納米結構，是一種非常創新的設計，適用于所有的熱電材料。
責任編輯：安子
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