惊呆,看科研人员徒手“点”亮小灯泡
2019/6/23 8:00:00黄露露 中科院之声

     小固:小声,外头烈日炎炎,不宜外出。给你变个魔术放松一下,怎么样?

     小声:小固,刚好“搬砖”搬的有点乏,啥魔术,我来瞅瞅~

     小固:魔术的名字叫——“徒手点亮小灯泡”。

     小声:好呀好呀,show time!

     小声:哇塞,好神奇呀!手掌按着,没有接电源就可以把小灯泡点亮!!!

     小固:对呀!(一脸傲娇~)没有外接电源哦,而且大概能持续20秒的发光时间。

     小声:黑科技!!小固,这是什么原理呀?

     小固:喏~这个小器件是我通过 “特殊材料”组装成的,利用人体体温与室温的温差,会产生电流,这样就可以点亮小灯泡啦!

     小声:哇,这是什么特殊材料呀?

     小固:我们将这种“特殊材料”称为“热电材料”,它可以直接实现热能和电能之间的相互转化,是一种新型能量转换材料。

    

     (图片来自网络)

     小声:那除了能徒手点亮小灯泡,它还有别的应用吗?

     小固:当然,用途可多啦!且听我娓娓道来~~

     通过由这种材料构成的温差发电器件,可以有效地利用大量工业生产产生的废热(如:火力发电厂、汽车尾气、锅炉等),实现废热再利用,提高传统化石能源的利用率,有效地缓解日益严峻的全球性能源危机。其次,它可以通过“热电制冷”实现小规模或局域制冷,工作无污染、无噪声、零排放、寿命长,甚至可以部分取代现代制冷技术中氟利昂的使用,达到保护环境的目的。因此,它是一直非常具有应用前景的新型功能材料。

     它的应用主要有两大方面:

     一、将热能转化为电能

     工业废热发电:火力发电厂热效率一般为30%-40%,通过在电站锅炉炉膛内应用碱金属热电转换器,可提高系统发电效率5%-7%;小型垃圾焚烧炉一般间歇发电,采用温差发电方式发电,直接把燃烧热能转换成电能,可以省去余热锅炉汽轮发电机以及蒸汽循环所需的附属设备。

    

     (图片来自网络)

     太空探测:美国宇航局1977年发射的Voyager丨探测器是迄今为止距离地球最远的人造飞行器,其探测器的动力由热电材料制成的放射性同位素温差发电装置。它目前仍正常工作,即将穿越太阳系。

    

     (图片来自网络)

     汽车尾气发电:科学研究发现汽车消耗的汽油仅有25%用于车体动力驱动,另有一半则通过车身和排气管散失。2008年10月,德国柏林举办了“温差电技术-汽车工业的机遇”会议。会上展示了一辆安装温差发电器的大众牌家用轿车,该温差发电器可在高速公路行驶条件下为汽车提供600瓦电功率,满足其30%用电需要,减少燃料消耗5%以上。

    

     二、利用电能实现局域制冷

     武器装备:俄罗斯米格战斗机配备的AA-8和AA-11系列导弹就采用温差电致冷对红外探测系统进行温控;2002年,哈勃太空望远镜上安装了近红外相机和多目标光谱仪,其中相机的3个热保护板中有两个采用热电冷却。

    

     (图片来自网络)

     医学领域:温差发电主要用于向人体植入的器官和辅助器具供电, 使之能长期正常工作, 如人造心脏或心脏起博器。如由Medronic制造的心脏起博器, 钚-238作核热源, 温差电器件为碲化铋, 工作寿命为85年。

    

     (图片来自网络)

     小声:哇,它的用途真的是好广泛呀?对了,那便携小冰箱是不是也是使用热电材料呢?

     小固:对呀,便携小冰箱用的就是“热电制冷”的原理。

     小声:那你们研制的热电材料有什么突出的地方吗?

     小固:我们使用了两种方法,协同调控,最终获得了较高性能的黝铜矿热电材料!

     小声:黝铜矿热电材料?我知道,目前碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PbTe)已被认为是较为理想p型室温、中温热电材料,你们获得的黝铜矿热电材料有什么优势吗?

     小固:更正一下,不是获得了黝铜矿热电材料,而是我们通过元素掺杂与引入纳米粒子复合,制备了更高性能的黝铜矿热电材料,称为优化的黝铜矿材料,且听我细细道来。

     由于碲(Te)元素地壳含量低,铅(Pb)元素不够环保,碲化铋(Bi2Te3)、碲化铅(PbTe)等热电材料的应用均有所限制。因此,黝铜矿Cu12Sb4S13近年来在众多热电材料中脱颖而出。

     一方面,它具有非常复杂的晶体结构,决定了其拥有较低的本征热导率,并且它具有本征较高的载流子浓度,这些对提升材料的热电性能非常有利;另一方面,它的组成元素储量丰富、价格低廉、无毒、无环境污染,是一种优异的节能环保型热电材料。

    

     黝铜矿Cu12Sb4S13的晶体结构示意图

     因此,我们中科院固体所材料应用技术研究室的研究人员通过熔炼和真空热压法制备了一系列不同掺杂浓度优化的黝铜矿材料,通过在锑(Sb)位引入锗(Ge)掺杂,然后在掺杂锗(Ge)的基础上引入微量纳米粒子氧化锌(ZnO)复合,进一步优化黝铜矿材料的热电性能,最终将性能优化到ZT=1.0(750K),相对未优化的黝铜矿Cu12Sb4S13而言提升了72%。

     小声: 哇,性能提升这么多!那优化过的黝铜矿热电材料是不是可以将热能转化更多的电能?

     小固:对呀,相对于未优化的热电材料,优化后的材料会使小灯泡亮的时间更长哦~

     小声:嗯!确实是个不错的研究新进展呢!快把原文信息发一下,方便粉丝们查看!

     小固:好的呢!这项工作通过元素掺杂和纳米复合进行协同调控,大大提升黝铜矿Cu12Sb4S13的热电性能,也为其他热电材料的发展提供了新的思路和想法。研究成果发表在期刊 ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces, DOI:10.1021/9b06463)上。

     小声:收到!这个魔术真不错,瞬间让我精神抖擞呢!我要继续“搬砖”啦!期待下次的魔术哦~~

     小固:好的,下次再会!

     来源:中国科学院合肥物质科学研究院

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