眾所周知，熱電材料可以將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，因此這項(xiàng)技術(shù)的潛力備受關(guān)注。世界各地的科學(xué)家也在不停尋找效率最高的材料。

奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的研究人員也不例外。他們探索了不同的金屬合金，以找到最有效的熱電材料。最后，鎳和金的混合物被證明特別有前途。最新研究結(jié)果已于近期發(fā)表在了《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

利用熱能發(fā)電并不是什么新鮮事。自20世紀(jì)中期以來(lái)，它們被用于在太空探索中產(chǎn)生電能，但熱電也用于便攜式冰箱等日常應(yīng)用。此外，它們還可以用于工業(yè)環(huán)境，將廢熱轉(zhuǎn)化為綠色電力，這也是潛在應(yīng)用之一。

熱電的工作原理

熱電效應(yīng)是基于帶電粒子從材料較熱的一面遷移到較冷的一面的運(yùn)動(dòng)。這就產(chǎn)生了一個(gè)電壓，即所謂的熱電電壓。熱電電壓與溫差的比值就是“塞貝克系數(shù)”，這是材料熱電性能的重要參數(shù)。

該研究的第一作者Fabian Garmroudi解釋說(shuō)：“盡管塞貝克(德國(guó)物理學(xué)家)在200多年前就發(fā)現(xiàn)了普通金屬中的熱電效應(yīng)，但現(xiàn)在金屬幾乎不被認(rèn)為是熱電材料，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂蟹浅５偷娜惪讼禂?shù)。”

性能優(yōu)異的鎳金合金

近期，來(lái)自維也納工業(yè)大學(xué)的物理學(xué)家成功地發(fā)現(xiàn)了具有高導(dǎo)電性和特大塞貝克系數(shù)的金屬合金。他們說(shuō)，磁性金屬鎳與貴金屬金的混合從根本上改變了電子性質(zhì)。具體而言，當(dāng)加入約10%的鎳時(shí)，金的淡黃色立即消失，熱電性能迅速提高。

科學(xué)家解釋稱(chēng)，塞貝克效應(yīng)增強(qiáng)的物理根源在于電子的能量依賴散射行為——一種與半導(dǎo)體熱電效應(yīng)根本不同的效應(yīng)。由于鎳原子的特殊電子特性，正電荷比負(fù)電荷散射得更強(qiáng)，導(dǎo)致所需的不平衡，從而產(chǎn)生高熱電電壓。

他們補(bǔ)充說(shuō)，極高的導(dǎo)電性和塞貝克系數(shù)的結(jié)合，導(dǎo)致鎳金合金的熱電功率因數(shù)值創(chuàng)紀(jì)錄，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)半導(dǎo)體。

“在相同的幾何形狀和固定的溫度梯度下，可以產(chǎn)生比任何其他已知材料多很多倍的電力，”他們解釋說(shuō)，“此外，高功率密度可能使未來(lái)大規(guī)模領(lǐng)域的日常應(yīng)用成為可能。以目前的性能為例，智能手表已經(jīng)可以利用佩戴者的體溫自動(dòng)充電了。”

研究人員還說(shuō)，“盡管黃金是一種昂貴的元素，但我們的工作代表了概念的證明。我們能夠證明，不只有半導(dǎo)體，金屬也能表現(xiàn)出良好的熱電性能，使它們有各種應(yīng)用潛力。金屬合金與半導(dǎo)體相比具有各種優(yōu)勢(shì)，特別是在熱電發(fā)電機(jī)的制造過(guò)程中。”

未來(lái)，該小組還將研究其他不需要昂貴元素金屬加入的有前途的候選物質(zhì)。