Only Perception: 世上最善於將廢熱轉換成電的熱電材料

2012-09-27

世上最善於將廢熱轉換成電的熱電材料

Thermoelectric material is world's best at converting heat waste to electricity
http://phys.org/news/2012-09-thermoelectric-material-world-electricity.html

September 19, 2012

西北大學科學家開發出一種是世上最善於將廢熱轉換成電的熱電材料。一旦你明白有將近三分之二的能量輸入是以廢熱形態耗散，那會成為一個非常棒的消息。

這種材料能夠象徵一種典範轉移。目前熱電材料的無效率，使其商業化應用受限。現在，有了一種在環境中十分穩定的材料，那預期能將百分之 15 到 20 的廢熱轉換成有用的電力，將可見到熱電學更廣為產業界所用。

可能的應用領域包括汽車產業（汽油大多數的勢能從車輛的排氣管散出）、重製造業（例如玻璃與製磚、精煉廠、燃煤與天然氣發電廠）以及有大型燃燒引擎（combustion engines）持續運作的地方（例如大型船隻與坦克）。

在這些領域的廢熱溫度範圍在攝氏 400 度到 600 度，正好是熱電使用的甜蜜點。

這種新材料，基於常見的半導體材料碲化鉛（lead telluride），為已知效率最高的熱電材料。那展現 2.2 的熱電優值（thermoelectric figure of merit，所謂的 ZT），是有報告以來迄今最高的。西北大學與密西根州立大學的化學家、物理學家、材料科學家與機械工程師合作開發這種材料。

這項研究將於 9/20 由 Nature 期刊所出版。

"我們的系統在任何溫度下都是效能頂尖的熱電系統，" Mercouri G. Kanatzidis 表示，他領導此研究同時也是論文的資深作者。"該材料能以最高的可能效率將熱轉換成電。在這種層次上，對於將高溫廢熱回收並轉換成有用的能源而言，那是真正的願景。"

Kanatzidis 為西北大學 Weinberg 藝術與科學學院的 Charles E. and Emma H. Morrison 化學教授，他也是 Argonne 國家實驗室的合聘研究者。

"人們常問，能源解決方案是什麼？" Vinayak P. Dravid 說，Kanatzidis 的親密合作夥伴之一。"但這裡沒有唯一的解決方案 -- 那將會是一種分散式解決方案。熱電學並非吾人所有能源問題的解答，而是此等式中重要的一部分。"

Dravid 是 McCormick 工程與應用科學學院的 Abraham Harris 材料科學與工程教授，以及論文的資深作者。

其他團隊成員包括 Kanatzidis 小組中的博士後研究 Kanishka Biswas；Dravid 小組中的博士後成員 Jiaqing He，西北大學 Walter P. Murphy 材料科學與工程教授，David N. Seidman；以及密西根州立大學電機與電腦工程教授 Timothy P. Hogan。

即便在西北大創紀錄的材料出現之前，熱電材料已開始變得更好，且開始在更多應用中被測試。火星漫遊車好奇號（Curiosity）是由碲化鉛熱電材料供電（然而該系統的 ZT 只有 1，效率只有西北大系統的一半），而 BMW 正從其車輛的廢氣系統中收成熱，以便進行熱電學測試。

"現在，擁有一種 ZT 大於 2 的材料後，我們才真的能夠跳脫框架思考、想大一點，" Dravid 表示。"那是一種知識突破。"

"ZT 的改良未曾停止 -- ZT 愈高愈好，" Kanatzidis 說。"我們甚至想要設計更好的材料，並達到 2.5 或 3。我們持續有新的點子，並透過研究更了解我們目前所擁有的材料。"

在熱電學中，廢熱轉換效率是由其 ZT 所主宰。此數值代表分子中的電導率與熱電功率（愈大愈好）以及分母中熱導率（愈小愈好）的比率。

"那在沒有妥協的情況下很難增加，" Dravid 說。這些相互矛盾的需求使朝向更高 ZT 的進展被延宕許多年（它停滯在 1 的標準值上）。

Kanatzidis 與 Dravid 最近幾年在巨大的熱電材料中引入奈米結構，從而將 ZT 愈推愈高。在 2011 年 1 月，他們在 Nature Chemistry 中發表一種熱電材料，在 800 K 下 ZT 為 1.7。那是首度在碲化鉛使用奈米結構（碲化鍶 (鹽岩型結構) 的奈米結晶體）以減少電子散射並增加材料能量轉換效率的例子。

目前在 Nature 中報告的新材料的效率比前一代多了將近百分之 30。研究者藉由將頻譜更廣（橫跨所有波長）的聲子（phonon）散射而達到這個目標，那對於減少熱導率很重要。

"每當一個聲子被散射，熱導率就會變低，那正是我們增加效率所需要的，" Kanatzidis 說。

聲子是一種振動能量的量子，每一個都有不同的波長。當熱流經材料時，聲子的頻譜需要在不同波長（短、中、長）下被散射。

在這項研究中，研究者證明，為了最大聲子散射（maximum phonon scattering），所有長度尺度可在電導率稍微改變的情況下被最佳化。"我們結合三種技術，在同一種材料中散射短、中與長波長，而且它們能同步運作，" Kanatzidis 說。"我們是第一個一口氣，而且是在已知最廣的頻譜上，將這三種散射。我們稱其為全尺度化方法（panoscopic approach），那超越了奈米結構化（nanostructuring）。"

"那是一種非常優雅的設計，" Dravid 說。

尤其是，研究者藉由控制與訂做奈米結構化熱電材料的中尺度（mesoscale）結構，來改良長波長散射。這導致 ZT 2.2 的世界紀錄。

研究者表示，這種整合聲子全波長尺度散射的成功方法，可適用所有巨型熱電材料。

※ 相關報導：

＊ High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures
http://www.nature.com/nature/journal/v489/n7416/full/nature11439.html

Kanishka Biswas, Jiaqing He, Ivan D. Blum, Chun-I Wu,
Timothy P. Hogan, David N. Seidman, Vinayak P. Dravid
Mercouri G. Kanatzidis.
Nature 489, 414–418 (20 September 2012)
doi: 10.1038/nature11439