在能源危机与气候变暖的双重压力下,一项看似微小却可能撬动全球能源格局的突破正在浮现:科学家开发出一种仅硬币大小的“热电功率模块”,能将废热直接转化为电能,效率创历史新高。这项由美国西北大学与韩国首尔国立大学合作的研究,不仅为工业节能、电动汽车续航和可穿戴设备供电开辟了新路径,更可能让“无处不在的废热”成为未来清洁能源的重要来源。
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全球超过60%的能源最终以废热形式散失——从汽车尾气、工厂烟囱到电脑芯片、人体体温,这些低品位热能长期被视为“无法回收的损失”。而热电材料正是解决这一问题的关键:它们利用“塞贝克效应”,在材料两端存在温差时直接产生电压。但过去几十年,热电转换效率(用ZT值衡量)始终徘徊在1–2之间,难以商业化。
此次,研究团队通过原子级工程设计,创造出一种新型纳米结构化碲化铅(PbTe)。他们在材料中嵌入超薄的硒化铅(PbSe)量子点,并精确调控晶格应变与电子能带结构,成功实现“声子玻璃-电子晶体”理想状态——即阻碍热传导(降低热导率),同时促进电子流动(提升电导率)。结果,该模块在500°C温差下ZT值达到3.1,远超此前纪录,能量转换效率突破18%。
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更关键的是,这种模块可规模化制造。研究者采用低成本溶液法合成纳米颗粒,再通过热压成型,避免了传统真空沉积的高成本。一个火柴盒大小的装置,在汽车排气管上就能持续输出数十瓦电力,足以驱动车载传感器或为电池补电;在钢铁厂高温管道上部署阵列,每年可回收数兆瓦时电能。
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此外,该技术还适用于低温场景。研究人员已开发出柔性版本,贴在手腕上即可利用体温与环境温差为智能手表供电。“我们不是在发明新能源,而是在捡回被浪费的能源,”西北大学材料科学教授Mercouri Kanatzidis说。
国际能源署估计,若全球工业废热回收率提升10%,相当于每年减少数亿吨碳排放。而这项技术,正让这一愿景变得触手可及。
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