美国发现硫化锡热电材料效率高的原因 将汽车排气管热量转为电能

SMM网讯:美国杜克大学(Duke University)的材料科学家发现了一种原子机制,可让某些热电材料在接近高温相变时,效率变得极高。此类信息有助于填补此类材料在计算机建模方面的关键知识空白,有可能让研究人员发现依赖于将热量转化为电能的更新、更好的技术。

当电子从材料热的一端转移到冷的一端时,就可以将热量转化为电能。由于需要两端之间有温差,研究人员尝试采用此类材料将汽车排气管中的热量转化为电能,或者在发电厂回收损失的热能。

在过去几年中,一种称为硒化锡及其姊妹化合物硫化锡的新兴材料创造了热电材料效率的新纪录。硫化物版材料的热电性能还不是很好,不过由于其更便宜、更环保,研究人员正在进一步对其进行优化。

虽然科学家们了解这两种化合物都是很好的热电材料,但是不知道确切原因。因此,杜克大学机械工程和材料科学系副教授Olivier Delaire与其两名研究生展开了这项新研究,试图填补这一知识空白。

对于任何好的热电材料来说,低导热系数是必要性能。因为材料两端必须有温差才能发电,所以阻止热量扩散的热电材料才能表现得更好。

为了观察硫化锡的原子振动情况,研究人员将材料样本带到了橡树岭国家实验室的高通量同位素反应堆。通过从硫化锡原子中弹回中子,并探测中子在何处停止弹跳,研究人员可以确定原子的位置,以及确定原子在晶体晶格中如何集体振动。

在温度较低的情况下,硫化锡是一种层状材料,由锡和硫化物组成的扭曲网格叠层在一起,形成类似于手风琴一样的波纹。在接近发生相变的华氏980度(约合526.67摄氏度)高温时,即热电发电机发挥作用的温度,此种扭曲的网格开始崩溃。两层材料不再扭曲,反而更加对称。

热量会通过材料中原子的振动传播。所以,当硫化锡中的原子振动变得不再强烈时,就不会很快地传递振动,振动时间也不会很长,从而可以阻止热量在内部传播,让热电材料得以更高效地发挥作用。

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