热电材料可以在清洁能源转型中发挥重要作用，因为它们可以利用热源产生电力，而这些电力本来会被浪费，而不会产生额外的温室气体或需要大量的前期投资。但由于目前大多数热电材料无法有效地产生足够的电力来用于许多实际应用，因此它们的前景受到了阻碍。

寻找涉及复杂化学成分的新的、更有效的材料一直是劳动密集型的，需要对每种提出的新的多材料成分进行实验测试，并且常常涉及有毒或稀有元素的使用。在《科学》杂志上发表的一篇论文中，休斯顿大学和莱斯大学的研究人员报告了一种预测一系列材料中能带收敛实现的新方法。

在证明了一种如此设计的材料(p 型 Zintl 化合物)可以提供高效的热电性能后，他们制造了一个热电模块，并报告在 475 开尔文的温差下热电转换效率超过 10%，或约 855 华氏度。

夏威夷大学德克萨斯州超导中心 (TcSUH) 主任、该论文的通讯作者任志峰表示，该材料的性能在两年多的时间里保持稳定。

尽管已经使用了多种方法来提高效率，但一种称为电子能带收敛的概念因其提高热电性能的潜力而受到关注。

“通常很难从热电材料中获得高性能，因为并非材料中的所有电子带都有贡献，”任说。 “制作一种所有乐队同时工作以获得最佳性能的复杂材料更加困难。”

他说，对于这项工作，科学家们首先专注于设计一种计算方法，以确定如何构建一种材料，其中所有不同的能带都可以对整体性能做出贡献。然后，他们证明了该计算在实践和理论上都是有效的，并构建了一个模块来进一步验证在设备级别获得的高性能。

能带收敛被认为是改进热电材料的好方法，因为它提高了热电功率因数，而热电功率因数与热电模块的实际输出功率有关。但到目前为止，发现具有强能带收敛性的新材料非常耗时，并且导致了许多错误的开始。

“标准方法是反复试验，”任教授说，他也是夏威夷大学凝聚态物理系 Paul CW Chu 和 May P. Chern 教授的主席。 “这种方法使我们能够消除不必要的可能性，而不会产生更好的结果，而不是进行大量的实验。”

为了有效地预测如何创造最有效的材料，研究人员使用高熵 Zintl 合金 YbxCa 1-x MgyZn 2-y Sb 2作为案例研究，设计了一系列成分，通过这些成分同时实现能带收敛所有的作品。

任正非这样描述它的工作原理：如果一个由 10 个人组成的团队试图举起一个物体，较高的成员将承担大部分负载，而较矮的成员则不会贡献那么多。在乐队融合中，目标是使所有乐队团队成员更加相似(在本例中，高的乐队成员会更矮，而矮的成员会更高)，因此所有人都可以为承载整体负载做出贡献。

在这里，研究人员从总共含有五种元素(镱、钙、镁、锌和锑)的四种母体化合物开始，进行计算以确定母体化合物的哪些组合可以达到能带收敛。一旦确定，他们就会从这些高性能组合物中选择最好的来构建热电装置。

“如果没有这种方法，你就必须进行实验并尝试所有的可能性，”任氏课题组的夏威夷大学研究生、该论文的主要作者施辛说。 “没有其他方法可以做到这一点。现在，我们首先进行计算，设计一种材料，然后制造并测试它。”

该计算方法也可用于其他多元化合物材料，使研究人员能够使用这种方法来创建新的热电材料。一旦确定了适当的母体化合物，就可以通过计算确定最终合金中应使用每种化合物的比例。

除了任和施之外，该论文的作者还包括德克萨斯州超导中心研究员宋绍伟博士和莱斯大学材料科学与纳米工程系的高冠辉博士。高现在在呃。

版权说明：本站所有作品图文均由用户自行上传分享，仅供网友学习交流。若您的权利被侵害，请联系我们

标签：