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节能减排的新型热电材料:填充方钴矿
时间:2015-04-27     编辑:     |     打印    关闭

  人类的生活离不开能源,然而,据统计,人类消耗的能源60%以上以废热的形式被直接排放,未得到有效利用。这些废热存在于废气、废水、废弃的材料、或者产品自身等各种比环境温度高的载体中,它们广泛分布在人类生活生产的方方面面,如钢铁厂、化工厂等工业作业环节,飞机、轮船、汽车的发动机废气,以及我们家中的炉子、空调等。如果新能源技术能够利用这部分废弃的热能,将它转化为人类有用的能量方式,比如电能,不但可以有效提高能源的利用效率,而且可以节能减排,缓解日益增加的环境保护压力。 

  

  热电转换技术正是可以实现上述功能的新能源技术。基于热电材料的物理效应,人们可以将废弃的热能直接转化为电能。采用该项技术,人们可以在钢铁厂的废热废气、汽车的尾气、锅炉的四周等安装上热电材料,将无用废弃的热能源源不断地转化为电能,为千家万户点灯照明。 

   

  热电材料的应用前景无限美好,然而,至今为止,高效、可靠、环保、廉价热电材料的缺失使其广泛应用迄今仍是个梦想。人类发现高效热电材料至今已有60余年,但面向工业和家庭应用必须同时兼顾的高效、可靠、环保、廉价等要求却一直很难实现。经过科学家20年持续的研究,填充方钴矿,作为热电材料中一颗冉冉升起的明星,已实现了应用的基本要求,准备走进人们的生产和生活。 

  方钴矿为中文名,英文名为skutterudite,是一种自然矿物,因1928年在挪威Skutterud小镇首先被发现而命名。方钴矿材料具有廉价、对环境友好等特点,但早期科学家研究发现它的传热能力太强,因此热能转化为电能的能力不足。方钴矿材料最特别的一点是它具有笼状开放式结构,就像灯笼一样,内部存在很大空间的孔洞。1995年,美国通用汽车公司的MorelliMeisner发现用铁掺杂框架结构可在孔洞内填入稀土原子获得空穴导电型材料,可以数量级降低其传热能力,这类填入外来原子的新材料被称为填充方钴矿(filled skutterudite)。1996年,美国橡树岭国家实验室的Sales首先报道了空穴导电型填充方钴矿热能转化为电能的高效能力,随后该材料成为研究热点,吸引了美国、欧洲、日本等多国政府、学术界和产业界的关注。基于无铁掺杂的电子导电型高效填充方钴矿材料也相继被发现,如美国Marlow 公司Nolas等报道的镱填充方钴矿,日本东北大学的Lidong Chen等(陈立东,2001年回到中国科学院上海硅酸盐研究所工作)报道的钡填充方钴矿等。 

   

  方钴矿材料在中国的系统研究始于2001年,在国家和地方的支持下,以中国科学院上海硅酸盐研究所、武汉理工大学、清华大学、浙大大学等为代表的科研单位紧跟国际前沿,在基础材料和应用研究两个方面同时跟进。2005年上海硅酸盐所陈立东、张文清等揭示了方钴矿孔洞内原子填充的物理机制,并指导了新型钠、钾填充方钴矿材料的研究;2007年与美国通用汽车公司Jihui Yang合作标定了每种填充原子的基本特性;2008年美国密歇根大学史迅等报道了钡-2种填充原子共填充的高效材料,2009年武汉理工大学唐新峰、赵文俞等报道了铈-铟、钡-铟共填充方钴矿及其复合热电材料,2011年上海硅酸盐所史迅(2010年回国工作)等实现了性能达国际最高水平的3种原子共填充方钴矿材料。同期,国内和国外多家科研机构也对方钴矿材料实现了有效优化,获得了系列高效新型材料。 

  在实现高效填充方钴矿材料的同时,其器件应用研究也紧锣密鼓。美国航空航天局下属的喷气动力实验室早期采用弹簧压力实现方钴矿材料与电极的连接,2004年上海硅酸盐研究所采用烧结法将材料与电极一步焊接,随后又进行了热膨胀系数的匹配优化、抗老化、稳定性研究等。国际上,美国西北大学也采用烧结法制备方钴矿元件,波兰学者Krzysztof Tomasz.W 也尝试制备了方钴矿基热电元件。经过多年的研究和发展,方钴矿热电器件的制备日趋成熟,美国、日本多家公司已尝试提供产品,如美国通用汽车公司和Marlow公司合作开发了50mm×50mm的大尺寸填充方钴矿器件;日本Furukawa公司的Guo等获得了最大输出功率为32W的填充方钴矿器件;上海硅酸盐研究所近期成功研制出能量转换效率高达8.1%、可长期稳定工作、发电功率密度达每平方厘米1.1瓦的高效方钴矿热电模块,并具备了批量制备能力。 

  

  时光走到了2015年,正好是填充方钴矿热电材料被广泛研究20周年。历经20年的风风雨雨、披荆斩棘,终于走到了收获的季节。高效、可靠、环保、廉价填充方钴矿热电材料的出现,有望在各个方面大展宏图,将人们废弃的热能转化为电能,为我们的生活增添一些更多的绿色。      

 
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