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    图像:恭达尼洛夫/ MIT

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转向热能转化为电能

澳门太阳城最新网站的研究,想办法把热能转化为电能,发现某些拓扑材料有效的可能性。

研究发现拓扑材料可以提高热电装置的效率。


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如果你可以运行你的空调不上常规电力,但在太阳的热量在一个温暖的夏天的一天呢?随着热电技术的进步,这种可持续的解决方案也许有一天会成为现实。

热电装置被从可转换的温度差转化成电能的材料制成,而不需要任何移动部件 - 一个质量,使得热电电的潜在吸引人的来源。的现象是可逆的:如果电力施加到热电装置,它可以产生一个温差。今天,热电装置被用于相对低功率的应用中,如沿输油管小传感器供电,在空间探测器备份电池,和冷却minifridges。

但科学家们希望设计出将收获的热量更强大的热电装置 - 工业加工和内燃机的副产品产生的 - 并打开,否则浪费的热能转化为电能。然而,热电装置的它们能够产生的效率,或能量的量,是目前受到限制。

现在,研究人员在澳门太阳城最新网站已经发现了一种方法来增加效率的三倍,使用“拓扑”的材料,其具有独特的电子特性。而过去的工作表明拓扑的材料可以作为高效的热电系统,很少有了解关于如何在这样的拓扑材料电子将​​响应前往温差以产生热电效应。

本周在发表的一篇论文 科学的美国国家科学院院刊时,澳门太阳城最新网站的研究人员识别基本属性,使得某些拓扑材料潜在的更加有效的热电材料,与现有的设备。

“我们发现,我们可以推的方式,使拓扑材料良好的热电材料,这种纳米结构材料的界限,更何况不是像硅传统的半导体,”て刘桓,机械工程的澳门太阳城最新网站的部门的博士后说。 “到了最后,这可能是一个清洁能源的方式来帮助我们用热源来发电,这将减少我们二氧化碳的释放。”

刘是第一作者 PNAS 纸,其中包括研究生加味周,志伟丁,和钱其琛歌曲;明达里,核科学与工程系助理教授;前研究生博林髎,目前在加州大学圣巴巴拉分校的助理教授;梁福,物理学比登哈恩副教授;和陈刚,机械工程系的教授,自焙槽和头部。

路径行进自如

当热电材料暴露于温度梯度 - 例如,一个端部被加热,而另一个冷却 - 在该材料中的电子开始从热端流至冷端,产生电流。的温度差越大,越电流产生,并且产生更多的功率。能够产生的能量的量取决于在给定的材料的电子的特定的传输特性。

科学家已经观察到,一些拓扑材料可以通过纳米结构被制成有效的热电装置中,技术科学家使用通过在纳米尺度图案化的特点,以合成的材料。科学家们认为,拓扑材料热电的优势来自于他们的纳米结构降低热导率。但目前还不清楚这提高了效率如何与材质固有的,拓扑性质连接。

试图回答这个问题,刘翔和他的同事研究了碲化锡那被称为是一个良好的热电材料拓扑材料的热电性能。在碲化锡中的电子也表现出模拟一类称为狄拉克材料拓扑材料的特殊属性。

目的是了解在碲化锡的的热电性能纳米结构的影响了球队,通过模拟电子方式,通过材料的传播。表征电子传输,科学家经常使用的测量被称为“平均自由程”,或平均距离与给定的能量的电子被散射通过在该材料的各种物体或缺陷之前的材料内将自由旅行。

纳米结构的材料类似于微小晶体的拼凑,每个边界,被称为晶界,从另一个该单独一个晶体。当电子遇到这些界限,他们往往以各种方式分散。长平均自由程电子将强烈地散射,像子弹一样弹射断墙上,同时用更短的平均自由程电子是受影响较小。

在他们的模拟中,研究人员发现,碲化锡的电子特性对它们的平均自由路径的显著影响。他们绘制的电子能量的碲化锡的范围针对相关联的平均自由程时,发现所得到的曲线图看上去比那些对于大多数传统的半导体很大的不同。具体地,对于碲化锡和其他可能的拓扑材料,结果表明,具有更高能量的电子具有较短的平均自由程,而较低能量的电子通常具有更长的平均自由程。

球队又看了看这些电子性质如何影响碲化锡的热电性能,通过实质上总结从不同能量的电子热电贡献和平均自由程。事实证明,这种材料的传导电流,或产生电子流,下一个温度梯度的能力,在很大程度上取决于电子能量。

具体地,他们发现,低能量电子倾向于具有因此电流上的电压差的产生的负面影响,和。这些低能量电子也有较长的平均自由程,这意味着它们可以被晶界比更密集更高能量的电子散射。

浆纱下来

在他们的模拟去一步,队与碲化锡的单个晶粒的大小起到看到这是否对电子的下一个温度梯度的流动的任何影响。他们发现,当他们的平均晶粒的直径减小到约10纳米,带来其边界更靠近在一起,他们观察到从较高能量的电子的增加的贡献。

即,具有更小的晶粒尺寸,更高能量的电子贡献得多材料的电传导比低能量电子,因为它们具有更短的平均自由路径,而且不太可能飞散防止晶界。这导致了可以产生更大的电压差。

更重要的是,研究人员发现,降低碲化锡的平均晶粒尺寸产生约10纳米的三倍,该材料将具有较大的谷物生产都的电量。

Liu说,虽然结果是基于模拟,研究人员可以实现通过合成碲化锡及其它拓扑材料,并使用纳米结构技术调整它们的晶粒尺寸类似的性能。其他研究人员认为,萎缩的材料的晶粒尺寸可能会增加其的热电性能,但刘说,他们大多假定理想的尺寸会比10个纳米大得多。

“在我们的模拟,我们发现我们可以缩小拓扑材料的晶粒尺寸要比以前认为的多,基于这种理念,我们可以提高其效率,”刘说。

碲化锡是尚未探索许多拓扑材料的一个例子。如果研究人员能够确定这些材料的理想的粒度,刘说,拓扑材料可能很快成为一个可行的,更有效的替代生产清洁能源。

“我认为拓扑材料是热电材料非常好,我们的研究结果表明,这是为未来的应用非常有前景的材料,”刘说。

本研究是由固态太阳能热能转换中心,美国的能源前沿研究中心支持部分能源部;和美国国防部高级研究计划局(DARPA)。


主题: 能源, 材料科学, 机械工业, 物理, 研究, 工程学院, 科学学院, 核科学与工程, 能源部(DOE)

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