熱電材料可以將熱能轉(zhuǎn)化為電能，這對可持續(xù)能源生產(chǎn)極具吸引力，特別是工業(yè)領(lǐng)域，因為很多工業(yè)領(lǐng)域有可能會有三分之二以上的能源以熱能的形式被浪費掉。但熱電能源的大規(guī)模生產(chǎn)目前受到低能量轉(zhuǎn)換效率的限制。現(xiàn)在，代爾夫特理工大學(xué)材料科學(xué)與工程系的研究人員Biswanath
Dutta和Poulumi
Dey不僅解釋了熱電材料中的納米結(jié)構(gòu)如何提高能源效率，還提出了一種具有商業(yè)吸引力的納米結(jié)構(gòu)熱電材料制造方法，增加了熱電能源大規(guī)模生產(chǎn)的機會。研究成果發(fā)表在《Nano
Energy》上。
Dutta和Dey工作的出發(fā)點是他們在韓國的合作研究人員提供的實驗結(jié)果，他們正在研究一種熱門的熱電材料，即所謂的NbCoSn半休斯勒化合物。"這是一種特殊類型的晶體結(jié)構(gòu)，"Dutta解釋說。"通過調(diào)節(jié)每個元素的數(shù)量和位置，例如把更多的鈮放在鈷的位置上，就可以看到它是如何影響材料的整體效率。"
韓國合作者的研究結(jié)果表明，在特定的溫度下，這種材料內(nèi)形成了某些種類的納米結(jié)構(gòu)。于是Dutta和Dey根據(jù)這些觀察結(jié)果進(jìn)行了理論模擬。"首先，我們模擬了在不同的位置增加一個或兩個額外的鈷原子的效果，以找出是否會增加效率，"Dey說。"結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這個鈷的位置確實對這種材料的整個性能有重要作用，這是做實驗的團隊無法真正解釋的，因為這超出了他們測量的分辨率。"
此外，Dutta和Dey還能夠證明一種被稱為能量過濾的效應(yīng)。"你可以把它看成是一種屏障，阻擋低于一定能量的電子，從而提高整體的導(dǎo)電性，"Dutta解釋道。"通過過濾掉低能電子，讓高能電子通過，整體效率就會提高。"
"這是一種納米結(jié)構(gòu)效應(yīng)，"Dey說。"是材料的其他部分形成的納米結(jié)構(gòu)，以及它們之間的界面，起到了屏障的作用，所以如果沒有這些納米結(jié)構(gòu)，你就不會有這種效果，因為沒有界面。但只要這些納米結(jié)構(gòu)形成了，你就會得到這些界面，這些界面阻擋了低能電子，但允許高能電子通過，其結(jié)果是提高了整體的能源效率。"
最終，代爾夫特理工大學(xué)的模擬結(jié)果表明，這種量身定制的NbCoSn熱電材料的能量效率提高有兩個原因：在晶格結(jié)構(gòu)中被稱為間隙位點的特定位置上存在額外的鈷原子，還有能量過濾效應(yīng)。
此外，對這種納米結(jié)構(gòu)熱電材料節(jié)能性的理解，表明了一種更好、更適用的熱電生產(chǎn)方式。"目前，納米結(jié)構(gòu)熱電材料是通過漫長而嚴(yán)格的粉碎和加熱預(yù)成型結(jié)構(gòu)的過程制成的，"Dutta解釋說，"這既耗時又耗能，所以并不適合大規(guī)模生產(chǎn)。與其走傳統(tǒng)路線，團隊建議從 "非結(jié)構(gòu) "或無定形材料開始。從無定形材料開始的優(yōu)勢在于它沒有底層結(jié)構(gòu)，所以不需要經(jīng)過漫長的研磨和加熱過程來實現(xiàn)均質(zhì)化。所以它的能源效率更高，因此對于熱電的量產(chǎn)也更有用。" 對于那些從事高溫?zé)崮芑厥盏男袠I(yè)的工程師來說，這是個好消息。
