蓋世汽車訊 美國宇航局的2020火星探測器Perseverance由地球上一種非常需要的東西——熱電裝置提供動(dòng)力，該裝置能夠?qū)崃哭D(zhuǎn)換成有用的電力。在火星上，熱源是钚的放射性衰變，而且熱電裝置的轉(zhuǎn)換效率為4%至5%，足以為Perseverance及其運(yùn)行提供動(dòng)力，但是還足以讓其在地球上得到應(yīng)用。

據(jù)外媒報(bào)道，美國西北大學(xué)（Northwestern University）和韓國首爾國立大學(xué)（Seoul National University）的一組科學(xué)家展示了一種高性能熱電材料，可實(shí)際用于研發(fā)熱電裝置。該材料是一種多晶形式的提純硒化錫，在將熱量轉(zhuǎn)換為電力方面由于單晶形式的材料，因而成為有史以來效率最高的熱電系統(tǒng)。在早期研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)并解決了導(dǎo)致性能下降的氧化問題，從而實(shí)現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換率。

顆粒形式的提純硒化錫（圖片來源：西北大學(xué)）

多晶硒化錫可被用于研發(fā)各種工業(yè)用的固態(tài)熱電裝置，能夠具備很大的節(jié)能優(yōu)勢。其中一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用目標(biāo)是收集工業(yè)廢熱，如發(fā)電廠、汽車工業(yè)、玻璃廠和磚廠的廢熱，并將其轉(zhuǎn)換成電力。目前，全球65%以上由化石燃料產(chǎn)生的能量都以廢熱的形式被損失掉了。

西北大學(xué)專攻新材料設(shè)計(jì)的化學(xué)家Mercouri Kanatzidis表示：“目前，熱電裝置已經(jīng)投入使用，但是僅限于小眾市場，例如用于火星探測器。此類裝置還沒有像太陽能電池一樣流行起來，而且要制造出好的裝置還面臨著重大挑戰(zhàn)。我們正專注于研發(fā)一種低成本、高性能的材料，以推動(dòng)熱電裝置能夠得到更廣泛的應(yīng)用。”

Kanatzidis表示，熱電裝置已經(jīng)得到了認(rèn)可，但是它們是否能夠良好工作取決于內(nèi)部的熱電材料。此種設(shè)備的一邊是熱的，另一邊是冷的，熱電材料位于中間；熱量會(huì)通過該材料，有些熱量會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?，通過電線離開設(shè)備。

熱電材料需要具有極低的導(dǎo)熱性，同時(shí)保持良好的導(dǎo)電性，以有效地進(jìn)行余熱轉(zhuǎn)換。由于熱源的溫度可高達(dá)400至500攝氏度，此種材料需要再極其高的溫度下也保持穩(wěn)定。此類挑戰(zhàn)以及其他挑戰(zhàn)導(dǎo)致熱電材料比太陽能電池更難以生產(chǎn)。

2014年，Kanatzidis及其團(tuán)隊(duì)報(bào)告發(fā)現(xiàn)了一種令人驚奇的材料，而且是全球最好的能夠?qū)崃哭D(zhuǎn)換成有用電力的材料：化學(xué)化合物硒化錫的晶體形式。雖然這是一項(xiàng)重要的發(fā)現(xiàn)，由于單晶體很脆弱且具片狀，還是不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

不過，多晶形式的硒化錫更強(qiáng)大，還可以切割和塑形，以用于不同應(yīng)用。因此，研究人員轉(zhuǎn)而研究此種形式的材料。出于意料的是，他們發(fā)現(xiàn)此種材料的熱導(dǎo)率很高，不像單晶體形式的硒化錫那么低。

經(jīng)過進(jìn)一步檢查，研究人員發(fā)現(xiàn)在此種材料上有一層氧化錫皮。熱量流過該氧化錫皮時(shí)，會(huì)增加熱導(dǎo)性，不合熱電裝置的需求。

韓國研究小組在了解到氧化過程本身以及原料都會(huì)有氧化作用后，發(fā)現(xiàn)了一種去除氧氣的方法。然后，研究人員可以制造不含氧的硒化錫顆粒，并對(duì)其進(jìn)行測試。

測量了多晶形式硒化錫的真實(shí)熱導(dǎo)率后，發(fā)現(xiàn)比原先預(yù)期的要低。作為熱電裝置的一個(gè)性能（即將熱量轉(zhuǎn)換成電力），超越了單晶形式的硒化錫，而且也是有記錄以來效率最高的材料。

熱電學(xué)中廢熱轉(zhuǎn)換的效率由“品質(zhì)因數(shù)”表示，即ZT值（熱電優(yōu)值）。該數(shù)字越大，轉(zhuǎn)換效率越高。此前發(fā)現(xiàn)的單晶形式硒化錫的ZT值在913開爾文（熱力學(xué)溫度單位）時(shí)大約為2.2至2.6。在新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)多晶體提純硒化錫的ZT值在783開爾文時(shí)約為3.1，其熱導(dǎo)率超低，低于單晶體材料。

西北大學(xué)擁有該硒化錫材料的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，此種熱電材料的潛在應(yīng)用領(lǐng)域包括汽車工業(yè)（從汽車排氣管中排出的大量廢熱）、重工業(yè)（如玻璃廠和磚廠、煉油廠、燃煤和燃?xì)獍l(fā)電廠）以及需要不斷運(yùn)行大型內(nèi)燃機(jī)的地方（如大型船舶和油輪）。

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