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汽车尾气或可供电,多亏了这种化合物

续航焦虑?减排忧虑?基于“黄金化合物”的热电发电机,未来甚至能直接将汽车尾气用作动力源。

利用余热发电的热电发电机是减少温室气体排放的有力工具,然而,它们面临着一个相当棘手的问题:需要与热端建立电接触。随着时间的推移,高温会导致设备失效。横向热电装置能通过产生垂直于导电装置的电流,脱离这个困局,但已知能产生这种侧电压的材料效率却非常低,不具备现实价值。

phys.org网站当地时间5月26日报道,美国俄亥俄州立大学的研究人员证实,一种由铼和硅组成的层状晶体,可能是高效热电应用的“黄金化合物”。它具有一种罕见特性:能同时携带正、负电荷,且两种电荷能够独立移动。这迫使两种电荷曲折地到达触点,产生电流。相关研究成果刊登在《能源与环境科学》杂志中。

在实验中,研究人员制造了一台搭载两英寸长晶体的热电发电机。他们发现,当晶体以特定角度安装在设备中时,能够产生惊人功率。“新材料与传统热电材料一样有效,并且克服了后者的缺陷。”俄亥俄州里大学化学与生物化学教授Joshua Goldberger说,“我们首次证实了装置的可行性。铼-硅化合物的效率比以往任何材料都要高出若干数量级,并且比商业产品更简单、可靠。”

大多数热量经由烟囱、汽车排气管被白白浪费。“余热是非常重要的资源。工程师们一直在苦苦探索如何提高发动机效率。长久以来,我们一直希望制造一台没有移动部件的小型引擎,能够同时吸收热量和发电。现在,我们终于成功了。”俄大机械与航空航天工程教授Joseph Heremans说。

大多数材料只能传导一种电荷,因此,热电装置一般由多种化合物构成。然而,复杂的接触性导致易造性、耐温性和高效率无法在同一台热电发电机内共存。两年前,Goldberger团队偶然发现,在某些晶体中,电子和孔隙能够独立存在。于是,他们对已知晶体库进行了检索。Goldberger说:“我们从110000种晶体结构中找到了15种符合要求的材料。”材料科学与工程教授Wolfgang Windl补充:“其他研究人员已经做了一些前期工作,但这些晶体都还没有被投入功能开发。我们需要做的仅仅是将导线接入材料一端,然后将晶体定向,这样便能获得一台没有移动部件的发电机。由此,你就能用家用设备、汽车余热来产生无排放、无限的能量了。这听上去有点像黑魔法。”

研究人员表示,从理论上讲,用铼-硅化合物制成的发电机可以在任何有热量的地方使用。晶体的尺寸能够人工调控,用以满足设备要求。Heremans表示,在未来,这种热电发电机甚至有望利用汽车尾气产生足够电能,驱动汽车行驶。

科界原创

编译:雷鑫宇

审稿:西莫

责编:陈之涵

期刊来源:《能源与环境科学》

期刊编号:1754-5692

原文链接:

https://phys.org/news/2021-05-gold-standard-compound-electricity.html

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