西弗吉尼亞大學(xué)的研究人員設(shè)計了一種材料，該材料有可能顯著減少熱電廠釋放到大氣中的熱量。

由本杰明 M. 斯塔特勒工程與礦產(chǎn)資源學(xué)院教授兼喬治 B. 貝瑞工程學(xué)主席 Xueyan Song 領(lǐng)導(dǎo)的團隊創(chuàng)造了一種氧化物陶瓷材料，解決了長期困擾熱電發(fā)電機的效率問題。這些設(shè)備可以利用熱量發(fā)電，包括導(dǎo)致全球變暖的發(fā)電廠排放的熱量。

她說，宋的團隊生產(chǎn)的突破性氧化物陶瓷 “實現(xiàn)了曾被認為不可能實現(xiàn)的創(chuàng)紀錄性能”?！拔覀冋故玖诉^去 20 年來全球范圍內(nèi)該領(lǐng)域報道的最好的熱電氧化物陶瓷，結(jié)果開辟了可以進一步提高性能的新研究方向。”

研究人員 Cesar Octavio Romo de la Cruz、Yun Chen、Liang Liang 和 Sergio A. Paredes Navia 對這項研究做出了貢獻，得到了美國國家科學(xué)基金會 639,784 美元的資助。該研究結(jié)果發(fā)表在《可再生能源與可持續(xù)能源評論》上。

氧化物陶瓷與陶器、瓷器、粘土磚、水泥和硅等材料同屬一類，但含有多種金屬元素。它們堅硬、耐熱和耐腐蝕，非常適合在空氣中的高溫應(yīng)用，它們可以用作熱電發(fā)電機組件的材料。

然而，氧化物陶瓷具有由多個連接的晶體組成的 “多晶” 結(jié)構(gòu)。工程師在這些材料的大規(guī)模熱電應(yīng)用中遇到了麻煩，因為 “晶界” ，即這些晶體相遇的地方，阻礙了為熱電發(fā)電機提供動力的電流和電子流動。

宋的團隊將這個絆腳石變成了墊腳石。

博士后研究員 Romo de la Cruz 說：“我們有意在多晶陶瓷中添加‘摻雜劑’或金屬離子，推動特殊類型的摻雜劑向晶界分離?！?“這就是我們?nèi)绾螌⒉豢杀苊獾挠泻Ы甾D(zhuǎn)化為導(dǎo)電途徑，顯著提高熱電性能的方法?！?

該研究旨在應(yīng)對日益嚴重的廢熱問題，廢熱是氣候變化的一個因素，也是大多數(shù)將燃料轉(zhuǎn)化為動力的操作的副產(chǎn)品。當燈泡摸起來很熱時，它們會釋放出廢熱：這是一種效率低下的額外能量，對它們發(fā)光的主要工作沒有貢獻。廢熱通過發(fā)電廠、家庭供暖系統(tǒng)和汽車等多種系統(tǒng)釋放到大氣中，并且排放的廢熱足夠多，預(yù)計到 2026 年全球回收廢熱的系統(tǒng)市場將超過 700 億美元。

Romo de la Cruz 解釋說：“熱量幾乎可以用來制造從食物到金屬和電力的所有東西?！?“但在這些過程中，大約 60% 的能量以熱量的形式釋放到環(huán)境中。廢熱回收將在平衡不斷增長的電力需求與工業(yè)過程的碳足跡方面發(fā)揮越來越重要的作用。像我們這樣的熱電氧化物陶瓷通過大幅提高熱電發(fā)電機將廢熱轉(zhuǎn)化為電能的能力而發(fā)揮作用?！?

熱電發(fā)電機是一種很有前途的廢熱回收技術(shù)，部分原因是它們易于操作和維護。強大的熱電發(fā)電機可以捕獲發(fā)電廠很大一部分的廢熱。

“但對于大多數(shù)應(yīng)用來說，熱電技術(shù)效率太低，不經(jīng)濟，” 宋教授說?！盁犭娫谵D(zhuǎn)換能量方面缺乏有效性，嚴重阻礙了熱電裝置的發(fā)展，盡管它們是迫切需要的?！?

她的實驗室利用納米結(jié)構(gòu)工程解決了這個問題—在只有電子顯微鏡才能看到的原子尺度上操縱陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)只能用電子顯微鏡才能看到—創(chuàng)造出一種致密、有紋理的多晶材料，其性能優(yōu)于目前標準的單晶材料。

盡管幾十年來，調(diào)整各種熱電材料的性能激發(fā)了大量的理論和實驗工作，但宋認為，對于塊狀氧化物陶瓷，她的實驗室是第一個通過納米和原子尺度的晶體晶界工程來證明熱能發(fā)電效率顯著提高的實驗室。

“這項工作正處于大規(guī)模、高溫廢熱回收的風口浪尖，” 宋教授說?！八I(lǐng)了氧化物陶瓷的新時代，并與美國能源部的工業(yè)熱射計劃保持一致，旨在開發(fā)具有成本競爭力的工業(yè)熱脫碳技術(shù)，到 2035 年溫室氣體排放量至少降低 85 % ?！?我們的研究結(jié)果可以促進和加速材料的設(shè)計，這比目前的技術(shù)水平要高得多?！?

在此項研究中，林賽斯 LSR 和 LFA 發(fā)揮了重要作用。