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將廢氣熱能轉生電能的最佳選擇:熱電材料

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【新三才編譯首發】據科學日報網報道,美國西北大學的研究人員近日發現了一種熱電材料,擁有目前世界上最高的熱-電轉換效率。由於世界上約三分之二的輸入能量是以熱能的方式散失,所以這顯然是個好消息。

現有的熱電材料因為轉換效率不高,限制了它在商業應用上的發展。此新材料預期可將百分之十五到二十的熱能轉成電能,將可提高熱電材料在產業上的應用。

可能運用的產業範圍非常廣泛,包括汽車產業(大部分汽油提供的能量都從排氣管散掉了),重工業(玻璃及製磚工廠、精鍊廠、燃媒或天然氣的火力發電廠),以及裝設長時間大型燃燒的引擎設施(如船舶和油輪等)。

這些產業和工具的廢熱溫度範圍,介於攝氏400到600度(華氏750至1,100度)之間,是新熱電材料的最佳應用範圍。

此由西北大學及密西根大學的研究團隊聯合研發出的新材料是常見半導體碲化鉛(lead telluride)的化合物,是目前最高效能的熱電材料,優質係數(figure of merit,又稱ZT值)為2.2世界最高。

此研究刊登在九月份的"“自然”雜誌。

主導這項研究的西北大學化學教授卡那茲提斯(Mercouri G. Kanatzidis)說:「此系統是於任何溫度下,性能最出色的熱電轉換系統。這種新材料可以以最高效能將熱轉換為電能,因此具有應用於商業產品的潛力。」

"人們常常會問:如何解決能源危機?"卡那茲提斯的研究伙伴,西北大學考密克工程與應用科學學院的德拉維德(Dravid)說,"沒有固定的答案,熱電材料也無法解決所有能源問題,但它是解答裡的重要的一環。"
 
在西北大學這一劃時代的研究問世之前,熱電材料的發展已有長足的進步,並且嘗試多方面的應用。NASA的火星好奇號探測車即使用熱電材料碲化鉛為動力(不過其ZT值只有1,為西北大學研究成果的一半),而BMW也嘗試應用熱電材料將廢熱重新利用。

"現在我們有了ZT值大於2的材料,就可考量更大、更跳脫出框架的計畫。"德拉維德說。"這是一個知識上突破。"
 

"ZT值愈大愈好,我們會一直朝這方向努力。"卡那茲提斯說。"我們正在研究能使ZT值大於2.5或3的材料,我們不停的創新並且更加了解我們擁有的材料特性。"

熱電材料中廢熱轉換效率是由其優質係數,也就是ZT值所主宰。此數值代表分子中的電導率與熱電功率(愈大愈好)以及分母中熱導率(愈小愈好)的比率。

"我們無法只增加其中一項而不會影響到另一項," 德拉維德說。因為其需求相互矛盾,故ZT值的進展被延宕許多年,一直停滯在1的標準值上。

近幾年來,卡那茲提斯與德拉維德為了增加ZT值,將奈米結構應用在大塊的熱電材料上。2011年1月,他們在 《自然化學》期刊中發表一種熱電材料,在溫度800K下ZT值為1.7。那是首度在碲化鉛使用奈米結構(鹽岩結構的碲化鍶的奈米結晶體)以減少電子散射並增加能量轉換效率的例子。

如今,此篇在Nature上發表的新材料是藉由奈米結構化而得的熱電材料,其ZT值達到2.2,創下世界紀錄。其熱電轉換效率將比前一代高出百分之30左右。
 

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