材料百态

多晶硒化锡可以帮助将余热转化为电能。图片来源：美国西北大学

本报讯 热电发电机能将废热转化为电能，而且不产生温室气体排放。这些设备为火星探测器提供了动力，但高昂的成本阻碍了其广泛应用。现在，研究人员找到了一种制造便宜又高效的热电材料的方法。这可能为新一代更环保的汽车发动机、工业炉和其他能源产生设备的研制铺平道路。相关论文近日刊登于《自然—材料》。

“这看起来是一个实现高性能的非常聪明的方法。”未参与该研究的北京航空航天大学材料科学家赵立东说，在这些材料成为高性能热电发电机之前，还需要进一步研究，“我认为这在不久的将来有望投入使用”。

热电元件是放置在高温表面的半导体器件，分为热面和冷面。它们的工作原理是利用热量将电荷从一边推到另一边。如果设备热的一边加热了冷的一边，电流就会停止流动。该设备防止这种情况发生及其传导电子的能力，有一个分数衡量，即ZT。

在过去20年里，研究人员已经生产出了增加ZT的热电材料。2014年，美国西北大学材料科学家Mercouri Kanatzidis和同事发现了一种ZT为3.1的硒化锡单晶。然而，这种材料很难制造，而且太脆弱，难以使用。

因此，Kanatzidis团队决定用锡和硒粉制造热电材料。经过加工，研究人员生产出多晶的硒化锡颗粒，它们价格低廉，可以加热并压缩成3至5厘米长的铸块，然后制成设备。Kanatzidis预测单个晶粒之间的边界会减缓热量的传递，但测试却显示多晶材料的热导率会急剧上升，ZT分数低至1.2。

2016年，西北大学研究小组发现了问题的根源，多晶硒化锡颗粒被压成锭之前，它们周围形成了一层超薄的氧化锡皮。这种皮就像一条快速通道，让热量在颗粒间传递。因此，在新研究中，Kanatzidis和同事，利用加热将氧气从粉状前体中驱走，留下多晶硒化锡。

研究人员表示，该材料的ZT为3.1。这为用多晶硒化锡颗粒制造新设备以及探索它们的应用打开了大门。

目前，该团队在多晶硒化锡中添加了钠原子，创造了一种“p型”材料，可以导电。为了制造可工作的设备，研究人员还需要一个“n型”版本来传导负电荷。

赵立东团队最近报道了用溴原子使“n型”单晶硒化锡带电的方法。Kanatzidis说，他的团队现在正在研制一种“n型”多晶版本。一旦“n型”和“p型”硒化锡装置配对，研究人员就有了一条制造新一代超高效热电发电机的道路。这些装置能用于汽车尾气管、热水器和工业炉等设备。

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