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微波技术可低成本制备热电材料
http://www.sgst.cn 2011-11-01 13:15:00 科技日报
  (特约供稿:上海市轻工业情报研究所

 

美国研究人员发现,采用微波技术可以在很短的时间内低成本生产一种十分重要的热电材料——填隙方钴矿锑化物,这为今后大规模商业化应用热电材料并节省能源打开了大门。该研究成果发表在近期的《材料研究集刊》上。

 

能源短缺问题已成为当今世界最突出的问题,但最令人头痛和尴尬的莫过于能量利用效率不高,浪费惊人。无论是工厂中的各类机械,还是汽车,能量做功的有用效率只有25%,最高也就33.3%,超过60%的能量都作为废热白白浪费掉了。

 

而热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料。1823年,德国物理学家塞贝克发现,当两种不同的导体或半导体在接触点存在温差时,导体内部会产生电流或者电位差;1834年,法国物理学家帕尔帖发现了相反的效应:当两种不同导体构成的回路通电时,接点处会产生一端吸热一端放热的现象。塞贝克效应和帕尔帖效应为热电能量转换和热电制冷的应用提供了理论依据。此后,无数科学家对其进行了深入而富有成效的研究和探索。到20世纪50年代,一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现,热电技术的研究成为热门课题。

 

热电技术领域的一项非常重要的成果是美国橡树岭国家实验室的布莱恩·塞尔斯的发现:如果在方钴矿晶体中填充一些特定的元素,将提升热电材料的性能。这种添加了其他元素的方钴矿晶体被称为“填隙方钴矿锑化物”。随后的研究证明,不仅是方钴矿有这样的特性,在热电材料中掺杂其他稀土元素,也将大幅提升热电材料的转换效率。但是,填隙方钴矿锑化物等热电材料虽然性能良好,但由于其生产难度大,产品生产周期长,成本高昂,因此一直无法实现商业性应用。

 

大多数人都知道,金属不能放入微波炉中,因为会产生电火花并反射微波,既损伤炉体又不能做熟食物。但美国俄勒冈州立大学的化学家们发现,金属粉末是可以放到微波炉中的。利用这一表面上看起来有悖生活常识的手段,研究人员将相关物质放到微波炉中,只用短短的几分钟就制备出填隙方钴矿锑化物热电材料。研究人员相信,利用微波技术,也可以生产其他性能良好的热电材料。这为生产具有低成本和商业价值的热电材料开辟了一条新路。

 

解决热电发电(将热能直接转变成电能)的关键是能够生产成本低、无毒、稳定的热电材料,因此,这种新的制备热电材料的方法具有十分重要的意义。低成本的热电材料具有广泛的应用前景,比如应用于混合动力汽车,可以为其提供额外的动力。新方法也有助于人类实现多年来利用废热的梦想,工厂生产机器的余热可以生产出额外的电能;发电厂的废热再也不用顺着烟囱排放到大气中去,而是能够让其真正“发挥余热”。 

 

目前,研究人员正在继续研究利用微波技术制备其他热电材料,并相信最终能制备出一系列不同的热电材料,以适应各种不同的应用需要。

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