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

美国宇航局的2020年火星探测器毅力号由热电装置提供动力，该装置可以将热量转化为有用的电能。在火星上，热源是钚的放射性衰变，热电装置的转换效率为4%到5%，足以为“毅力”号及其运行提供动力，但也足以供其在地球上应用。

据外媒报道，美国西北大学和韩国首尔国立大学的一组科学家展示了一种高性能热电材料，这种材料实际上可以用来开发热电装置。这种材料是纯化硒化锡的多晶形式，由于其在将热转化为电方面的单晶形式，它已成为历史上最有效的热电系统。在早期的研究中，研究人员发现并解决了导致性能下降的氧化问题，从而实现了高转化率。

颗粒形式的纯化硒化锡(来源:西北大学)

多晶硒化锡可以用来开发各种工业固态热电器件，可以有很大的节能优势。其中一个关键的应用目标是收集工业余热，如发电厂、汽车工业、玻璃厂和砖厂的余热，并将其转化为电能。目前，全球超过65%的由化石燃料产生的能量以废热的形式损失。

西北大学专门从事新材料设计的化学家Mercouri Kanatzidis说:“目前，热电装置已经投入使用，但仅限于小众市场，如用于火星探测器。这种设备不像太阳能电池那样受欢迎，制造好的设备仍然有很大的挑战。我们正专注于开发一种低成本、高性能的材料，以促进热电器件的更广泛应用。”

Kanatzidis表示，热电装置已经获得批准，但能否很好地工作取决于里面的热电材料。这个设备一面是热的，一面是冷的，中间是热电材料；热量会通过材料，一部分热量会转化为电能，通过电线离开设备。

热电材料需要具有极低的热导率，同时保持良好的电导率，以便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，这种材料需要在极高的温度下保持稳定。这些和其他挑战使得热电材料比太阳能电池更难生产。

2014年，Kanatzidis和他的团队报告发现了一种令人惊叹的材料，它是世界上可以将热量转化为有用电能的最佳材料:化学化合物硒化锡的晶体形式。虽然这是一个重要的发现，但单晶并不适合大规模生产，因为它易碎且易剥落。

然而，硒化锡的多晶形式更强大，并且可以切割和成形以用于不同的应用。因此，研究人员转向这种形式的材料。令他们惊讶的是，他们发现这种材料的热导率非常高，不像单晶形式的硒化锡那样低。

经过进一步检查，研究人员发现这种材料上有一层氧化锡。当热量流过氧化锡皮时，会增加热导率，不符合热电器件的要求。

在了解到氧化过程本身和原料都会有氧化后，韩国研究小组找到了去除氧气的方法。然后，研究人员可以制造无氧的硒化锡颗粒并进行测试。

在测量了多晶硒化锡的真实热导率之后，发现它比原先预期的要低。作为热电器件的一种性能(即将热转化为电)，它超过了硒化锡的单晶形式，也是有史以来效率最高的材料。

热电科学中的余热转换效率用“品质因数”来表示，即ZT值(热电品质因数)。数字越大，转换效率越高。先前发现的硒化锡单晶形式的ZT值在913开尔文(热力学度-天)下约为2.2至2.6。在新的研究中，研究人员发现，多晶纯化硒化锡在783开尔文下的ZT值约为3.1，其热导率极低，低于单晶材料。

西北大学拥有这种硒化锡材料的知识产权，这种热电材料的潜在应用领域包括汽车工业(汽车排气管排出的大量余热)、重工业(如玻璃厂和砖厂、炼油厂、燃煤和燃气电厂)以及大型内燃机需要连续运转的场所(如大型船舶和油轮)。美国宇航局的2020年火星探测器毅力号由热电装置提供动力，该装置可以将热量转化为有用的电能。在火星上，热源是钚的放射性衰变，热电装置的转换效率为4%到5%，足以为“毅力”号及其运行提供动力，但也足以供其在地球上应用。

据外媒报道，美国西北大学和韩国首尔国立大学的一组科学家展示了一种高性能热电材料，这种材料实际上可以用来开发热电装置。这种材料是纯化硒化锡的多晶形式，由于其在将热转化为电方面的单晶形式，它已成为历史上最有效的热电系统。在早期的研究中，研究人员发现并解决了导致性能下降的氧化问题，从而实现了高转化率。

颗粒形式的纯化硒化锡(来源:西北大学)

多晶硒化锡可以用来开发各种工业固态热电器件，可以有很大的节能优势。其中一个关键的应用目标是收集工业余热，如发电厂、汽车工业、玻璃厂和砖厂的余热，并将其转化为电能。目前，全球超过65%的由化石燃料产生的能量以废热的形式损失。

西北大学专门从事新材料设计的化学家Mercouri Kanatzidis说:“目前，热电……设备已经投入使用，但只是在利基市场，如火星探测器。这种设备不像太阳能电池那样受欢迎，制造好的设备仍然有很大的挑战。我们正致力于开发一种低成本、高性能的材料，以促进热电器件的更广泛应用。"

Kanatzidis表示，热电装置已经获得批准，但能否很好地工作取决于里面的热电材料。这个设备一面是热的，一面是冷的，中间是热电材料；热量会通过材料，一部分热量会转化为电能，通过电线离开设备。

热电材料需要具有极低的热导率，同时保持良好的电导率，以便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，这种材料需要在极高的温度下保持稳定。这些和其他挑战使得热电材料比太阳能电池更难生产。

2014年，Kanatzidis和他的团队报告发现了一种令人惊叹的材料，它是世界上可以将热量转化为有用电能的最佳材料:化学化合物硒化锡的晶体形式。虽然这是一个重要的发现，但单晶并不适合大规模生产，因为它易碎且易剥落。

然而，硒化锡的多晶形式更强大，并且可以切割和成形以用于不同的应用。因此，研究人员转向这种形式的材料。令他们惊讶的是，他们发现这种材料的热导率非常高，不像单晶形式的硒化锡那样低。

经过进一步检查，研究人员发现这种材料上有一层氧化锡。当热量流过氧化锡皮时，会增加热导率，不符合热电器件的要求。

在了解到氧化过程本身和原料都会有氧化后，韩国研究小组找到了去除氧气的方法。然后，研究人员可以制造无氧的硒化锡颗粒并进行测试。

在测量了多晶硒化锡的真实热导率之后，发现它比原先预期的要低。作为热电器件的一种性能(即将热转化为电)，它超过了硒化锡的单晶形式，也是有史以来效率最高的材料。

热电科学中的余热转换效率用“品质因数”来表示，即ZT值(热电品质因数)。数字越大，转换效率越高。先前发现的硒化锡单晶形式的ZT值在913开尔文(热力学度-天)下约为2.2至2.6。在新的研究中，研究人员发现，多晶纯化硒化锡在783开尔文下的ZT值约为3.1，其热导率极低，低于单晶材料。

西北大学拥有这种硒化锡材料的知识产权，这种热电材料的潜在应用领域包括汽车工业(汽车排气管排出的大量余热)、重工业(如玻璃厂和砖厂、炼油厂、燃煤和燃气电厂)以及大型内燃机需要连续运转的场所(如大型船舶和油轮)。

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