向應用邁進：復合材料熱電轉化效率提升10倍

材料牛注：俄亥俄州立大學的研究小組利用鉑-鎳復合材料，大幅提升了熱電材料的轉化效率，有望用于汽車發動機和噴射發動機等工業領域。

俄亥俄州立大學的工程師們利用鎳-鉑復合磁性材料，將之前薄膜材料的輸出電壓放大了10倍，目前使用的材料與之前使用的材料相比，更厚且更接近未來電子器件中的元件。相關研究成果發表于Nature Communications。

許多電氣和機械設備，例如汽車發動機，在正常工作時會產生熱量。該項研究的共同作者Stephen Boona解釋說：這一熱量通常稱為“廢熱”，熱力學基本定律表明其一定存在。然而，逐漸興起的固態熱電學研究的目的則在于，設計特殊的材料將廢熱轉化為電能，以提高發動機整體的能量轉化效率。

俄亥俄州立大學的博士后研究生Boona說道：“我們使用的能源中，有一半被浪費，并以熱的形式散發到大氣中。固體熱電元件可以幫助我們收集一部分浪費的能量。這些元件不需運動、不會磨損、強度高且不需要維護。不幸的是，目前這類材料高價、低效，限制了其廣泛使用。我們正致力于改變這一現狀。”

2012年，由Joseph Heremans領導的俄亥俄州立大學的研究小組發現，由磁場產生的量子力學效應—自旋塞貝克效應，會在納米復合材料薄膜上，產生幾個微伏至幾個毫伏的電壓。

在最新的進展中，由鉑-鎳（鉑噴涂在鎳的表面）復合材料產生的電壓為幾個納伏至幾百個納伏，這一電壓小于之前研究中產生的電壓，但設計的熱電器件更加易于制作，并可以穩定的按比例放大以實現工業應用。

航天機械工程教授、俄亥俄州納米技術領域的杰出學者Heremans說：“一定程度上，將相同的技術用于更厚的材料，需要研究者重新思考熱力學和熱電學的基本方程，這些方程在量子力學誕生之前，便已由科學家們提出。”量子力學關注的是光子—光波和光粒子，在Hereman的研究中，關注的則是磁量子—磁性波和磁性粒子。Heremans說：“從根本上說，經典熱力學涵蓋了以蒸汽為工質（工作流體）的蒸汽機，及以氣體為工質的噴氣發動機和汽車發動機。熱電元件的工質為電子。在這項研究中，我們以磁量子作為工質。”

目前為止，在基于磁量子的熱力學研究中，使用的材料通常為只有幾個原子層厚的薄膜，性能最好的薄膜產生的電壓也非常小。在2012年發表的文章中，他的研究小組利用磁量子轟擊電子，使得電子通過熱電材料。目前發表在Nature Communications上的文章中，他們將相同的技術應用于塊狀復合材料，并提高了廢熱的利用效率。

研究者們摒棄了先前直接將鉑片放在磁性材料上方的做法，轉而將少量的鉑納米顆粒隨機分散在磁性材料鎳中。自旋塞貝克效應提高了復合材料的輸出電壓。這意味著在熱量一定的情況下，復合材料產生的電能高于單一材料。與薄膜材料相比，由于塊體復合材料導電優良，因此其他電氣部件可以更有效的獲取電壓。

目前這一復合材料還無法實際應用，Heremans相信這項研究創立的基本原理將激發廢熱發電機的深入研究，并可能應用于汽車發動機和噴射發動機。這一理念適用于各類材料的組合，新的方法減少了鉑等貴金屬的用量，而且不需要使用薄膜生長等復雜的處理工藝。

原文鏈接：One step closer to reality: Devices that convert heat into electricity: Composite material yields 10 times -- or higher -- voltage output.

文獻鏈接：Energy conversion approaches and materials for high-efficiency photovoltaics.

本文由材料人編輯部月亮提供素材，田思宇編譯，黃超審核；點我加入材料人編輯部。

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