研究人员发现高性能热电材料 应用领域包括汽车工业、重工业等

盖世汽车讯 美国宇航局的2020火星探测器Perseverance由地球上一种非常需要的东西——热电装置提供动力，该装置能够将热量转换成有用的电力。在火星上，热源是钚的放射性衰变，而且热电装置的转换效率为4%至5%，足以为Perseverance及其运行提供动力，但是还足以让其在地球上得到应用。

据外媒报道，美国西北大学（Northwestern University）和韩国首尔国立大学（Seoul National University）的一组科学家展示了一种高性能热电材料，可实际用于研发热电装置。该材料是一种多晶形式的提纯硒化锡，在将热量转换为电力方面由于单晶形式的材料，因而成为有史以来效率最高的热电系统。在早期研究中，研究人员发现并解决了导致性能下降的氧化问题，从而实现了高转换率。

颗粒形式的提纯硒化锡（图片来源：西北大学）

多晶硒化锡可被用于研发各种工业用的固态热电装置，能够具备很大的节能优势。其中一个关键应用目标是收集工业废热，如发电厂、汽车工业、玻璃厂和砖厂的废热，并将其转换成电力。目前，全球65%以上由化石燃料产生的能量都以废热的形式被损失掉了。

西北大学专攻新材料设计的化学家Mercouri Kanatzidis表示：“目前，热电装置已经投入使用，但是仅限于小众市场，例如用于火星探测器。此类装置还没有像太阳能电池一样流行起来，而且要制造出好的装置还面临着重大挑战。我们正专注于研发一种低成本、高性能的材料，以推动热电装置能够得到更广泛的应用。”

Kanatzidis表示，热电装置已经得到了认可，但是它们是否能够良好工作取决于内部的热电材料。此种设备的一边是热的，另一边是冷的，热电材料位于中间；热量会通过该材料，有些热量会转变为电力，通过电线离开设备。

热电材料需要具有极低的导热性，同时保持良好的导电性，以有效地进行余热转换。由于热源的温度可高达400至500摄氏度，此种材料需要再极其高的温度下也保持稳定。此类挑战以及其他挑战导致热电材料比太阳能电池更难以生产。

2014年，Kanatzidis及其团队报告发现了一种令人惊奇的材料，而且是全球最好的能够将热量转换成有用电力的材料：化学化合物硒化锡的晶体形式。虽然这是一项重要的发现，由于单晶体很脆弱且具片状，还是不适合大规模生产。

不过，多晶形式的硒化锡更强大，还可以切割和塑形，以用于不同应用。因此，研究人员转而研究此种形式的材料。出于意料的是，他们发现此种材料的热导率很高，不像单晶体形式的硒化锡那么低。

经过进一步检查，研究人员发现在此种材料上有一层氧化锡皮。热量流过该氧化锡皮时，会增加热导性，不合热电装置的需求。

韩国研究小组在了解到氧化过程本身以及原料都会有氧化作用后，发现了一种去除氧气的方法。然后，研究人员可以制造不含氧的硒化锡颗粒，并对其进行测试。

测量了多晶形式硒化锡的真实热导率后，发现比原先预期的要低。作为热电装置的一个性能（即将热量转换成电力），超越了单晶形式的硒化锡，而且也是有记录以来效率最高的材料。

热电学中废热转换的效率由“品质因数”表示，即ZT值（热电优值）。该数字越大，转换效率越高。此前发现的单晶形式硒化锡的ZT值在913开尔文（热力学温度单位）时大约为2.2至2.6。在新研究中，研究人员发现多晶体提纯硒化锡的ZT值在783开尔文时约为3.1，其热导率超低，低于单晶体材料。

西北大学拥有该硒化锡材料的知识产权，此种热电材料的潜在应用领域包括汽车工业（从汽车排气管中排出的大量废热）、重工业（如玻璃厂和砖厂、炼油厂、燃煤和燃气发电厂）以及需要不断运行大型内燃机的地方（如大型船舶和油轮）。