美國發現硫化錫熱電材料效率高的原因 將汽車排氣管熱量轉為電能

2020-12-01 騰訊網

蓋世汽車訊 據外媒報導，美國杜克大學（Duke University）的材料科學家發現了一種原子機制，可讓某些熱電材料在接近高溫相變時，效率變得極高。此類信息有助於填補此類材料在計算機建模方面的關鍵知識空白，有可能讓研究人員發現依賴於將熱量轉化為電能的更新、更好的技術。

圖片來源：杜克大學

當電子從材料熱的一端轉移到冷的一端時，就可以將熱量轉化為電能。由於需要兩端之間有溫差，研究人員嘗試採用此類材料將汽車排氣管中的熱量轉化為電能，或者在發電廠回收損失的熱能。

在過去幾年中，一種稱為硒化錫及其姊妹化合物硫化錫的新興材料創造了熱電材料效率的新紀錄。硫化物版材料的熱電性能還不是很好，不過由於其更便宜、更環保，研究人員正在進一步對其進行優化。

雖然科學家們了解這兩種化合物都是很好的熱電材料，但是不知道確切原因。因此，杜克大學機械工程和材料科學系副教授Olivier Delaire與其兩名研究生展開了這項新研究，試圖填補這一知識空白。

對於任何好的熱電材料來說，低導熱係數是必要性能。因為材料兩端必須有溫差才能發電，所以阻止熱量擴散的熱電材料才能表現得更好。

為了觀察硫化錫的原子振動情況，研究人員將材料樣本帶到了橡樹嶺國家實驗室的高通量同位素反應堆。通過從硫化錫原子中彈回中子，並探測中子在何處停止彈跳，研究人員可以確定原子的位置，以及確定原子在晶體晶格中如何集體振動。

在溫度較低的情況下，硫化錫是一種層狀材料，由錫和硫化物組成的扭曲網格疊層在一起，形成類似於手風琴一樣的波紋。在接近發生相變的華氏980度（約合526.67攝氏度）高溫時，即熱電發電機發揮作用的溫度，此種扭曲的網格開始崩潰。兩層材料不再扭曲，反而更加對稱。

熱量會通過材料中原子的振動傳播。所以，當硫化錫中的原子振動變得不再強烈時，就不會很快地傳遞振動，振動時間也不會很長，從而可以阻止熱量在內部傳播，讓熱電材料得以更高效地發揮作用。

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