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    图像:切尔西车工/ MIT

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对热电调高热

现在澳门太阳城最新网站的物理学家们发现了一种显著提高热电的潜力,通过使用金属,热和磁场产生能量。

新材料,在高磁场加热,可产生能量的创纪录水平,模型显示。


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卡尔·莉迪·让·巴蒂斯特
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想象一下,能够给您的汽车从它的发动机散发出的热量部分供电。或者,如果你能得到什么从发电厂发出的热量你家的电力的一部分?这种节能的情况下可能有一天会可能在热电材料的改进 - 在材料的一侧被加热其自发地产生电力。

在过去60年中,科学家们研究了一些材料,以表征其热电势,或与它们转换成热量的功率效率。但迄今为止,大多数这些材料已经取得了过低的任何广泛的实际应用效率。

现在澳门太阳城最新网站的物理学家们发现了一种显著提高热电的潜力,他们在今天报告的理论方法 科学的进步。他们用这种方法进行建模材料是五倍更有效,并且可能潜在地产生能量的两倍的量,因为今天存在最佳的热电材料。

“如果一切顺利我们最疯狂的梦想,然后突然,很多的东西,现在是效率太低做会变得更有效率,”主要作者布莱恩 - 斯基纳,澳门太阳城最新网站电子研究实验室的博士后说。 “你可能会在人们的汽车,采取余热您的汽车引擎推迟,并用它来为电池充电的小热电recoverers看到。或者这些设备可以围绕电厂放,使热量的前身是由您的核反应堆或燃煤电厂现在被回收浪费并投入电网。”

斯金纳在纸上的合着者为良福,萨拉·W上。物理学比登哈恩职业发展副教授在澳门太阳城最新网站,澳门太阳城最新网站和公司材料研究实验室的成员。

在理论上找到孔

一个材料从热产生能量的能力是基于其电子在温度差的存在的行为。当热电材料的一面被加热时,它可以激励电子从热侧飞跃远离并且累积在冷侧。所得的电子的积累可以创建一个可测量的电压。

到目前为止已被开发的材料已经产生了非常少的热电势,部分是因为电子相对难以热激发。在大多数材料中,电子在特定条带,或能量范围存在。每个带由一个间隙分隔开 - 能量的小范围,其中电子可以不存在。够穿过的带隙和物理上跨越材料迁移激励电子一直非常具有挑战性的。

斯金纳和夫决定看一个家庭的被称为拓扑半金属材料的热电势。与大多数其它固体材料,例如半导体和绝缘体,拓扑半金属是在于它们具有零个带隙独特 - 的能量配置,使电子在被加热时能够容易地跳到更高的能量带。

科学家们认为拓扑半金属,一种相对较新类型的材料在实验室合成的大部分,将不会带来太多的热电势。当该材料在一侧加热时,电子被激励,也在另一端聚集。但由于这些带负电的电子跳到更高能带,他们留下了所谓的“洞” - 正电荷的粒子也堆积在材料的冷端,抵消电子的效果,并最终产生很少的能量。

但球队并没有完全准备好打折这种材料。 在研究无关位,斯金纳已经注意到在半导体的好奇效果被暴露于强磁场。在这种条件下,磁场可以影响电子的运动,弯曲其轨迹。斯金纳和福怀疑:可能的磁场在拓扑半金属什么样的效果?

他们查阅文献,发现有一队来自普林斯顿大学, 在试图完全表征称为铅硒化锡型拓扑材料的,还测量其热电性能的磁场下在它们的材料的许多观测中2013年,研究人员报告了在看到热电发电大多数MRI机器的增加,35特斯拉的非常高的磁场下(为了进行比较,操作约2至3特斯拉)。

斯金纳和复使用的材料的性质与 普林斯顿大学的研究 到材料的热电性能在一定范围的温度和磁场条件理论上建模。

“我们终于想通了,一个强大的磁场下,一个有趣的事情发生了,在那里你可以使电子和空穴在相反的方向移动,”斯金纳说。 “电子去朝冷端,并朝向热侧孔。他们一起工作,并且原则上,你可以只通过使磁场越强得到了相同的材料越来越大的电压“。

特斯拉动力

在他们的理论模型,该组计算铅硒化锡的ZT,或品质因数,告诉你你的材料如何接近从热发电的理论极限的量。已报告到目前为止都为约2的ZT最有效的材料,斯金纳和夫发现,约30特斯拉的强磁场下,铅硒化锡可具有约10 ZT - 五倍更有效表现最好的热电材料。

“它的方式秤外,”斯金纳说。 “当我们第一次无意中发现了这个想法,这似乎有点太戏剧化。花了几天来说服自己,这一切都增加了。”

他们计算出与等于10的一个ZT的材料时,如果在室温下加热至约500开尔文,或440华氏度,30特斯拉的磁场下,应该能够把这一热到电的18%,相比与ZT等于2,这将仅能够转换8%的热量的能量的材料。

该小组承认,要达到如此高的效率,目前可用的拓扑半金属将有可能只在世界设施屈指可数产生非常高的磁场下被加热。这些材料是用于在发电厂或汽车用实用,它们应该在1到2特斯拉的范围内操作。

福说,这应该是可行的,如果一个拓扑半金属是非常干净的,这意味着在将得到电子的流动方式的材料杂质很少。

“做材料很干净很有挑战性,但人们投入了大量的精力,以这些材料的优质成长,”福说。

他补充说,铅硒化锡,他们在他们的研究主要集中在材料,是不是最干净的拓扑半金属,科学家们合成。换句话说,可能有其他,可与一更小的磁场产生火力发电相同量的清洁材料。

“我们可以看到,这种材料是一种良好的热电材料,但应该有更好的,”福说。 “一种方法是把最好的[拓扑半金属]我们现在有,并申请3特斯拉的磁场。它可能不是由2倍提高效率,但“也许20%或50%,这已经是一个相当大的进步。

球队已经申请了专利的新thermolelectric方法,并与普林斯顿的研究人员合作,通过实验检验理论。

该研究是由MIT中心excitonics并且由固态太阳能热能转换中心,这是美国的能源前沿研究中心的支持能源部和美国的基础能源科学邻FFI CE能源部。


主题: 能源, 磁铁, 材料科学与工程, 物理, 研究, 电子研究实验室, 科学学院, 工程学院, Electrical Engineering & Computer Science (eecs)

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