如何从废热中获得更多电力?钛的添加使热电材料更有效。

当化石燃料和生物燃料燃烧时，大量的能量作为废热损失。热电材料可以将这种热量转化为电能，但它们的效率不足以用于技术应用。

马克斯·普朗克研究所的一个团队现在通过阐明微观结构对材料的影响并通过添加钛来优化材料的性能，从而提高了热电材料的功率转换效率。

气候危机迫使我们不仅要逐步淘汰化石燃料，还要节约能源。特别是在化石燃料还不能如此迅速地被取代的地方，它们至少应该得到有效利用——例如，通过利用能源密集型工业厂房或发电站的废热发电。

欧洲工业中使用的能源中约有17%作为废热损失。它可以在热电材料的帮助下被利用并转换为有用的动力。

在这种热电中，当它们暴露在温差中时会产生电压。然而，目前的热电效率不足以用于大规模的工业规模。

由位于杜塞尔多夫的马克斯·普朗克研究所领导的一个研究小组现在已经成功地优化了热电材料，因为这种材料在技术术语中是众所周知的，因此更接近工业用途。该团队在《先进能源材料》杂志上发表了研究结果。

该团队研究了一种铌，铁和锑的合金，该合金在约70至700摄氏度的温度范围内将废热转化为电能，功率转换效率为<>% - 使该合金成为目前最有效的热电合金之一。

只有由铋和碲制成的材料才能达到相似的值。然而，碲化铋只适合在相对较低的温度下使用，并且在机械上不如铌、铁和锑制成的热电稳定。此外，其成分不太容易获得。

钛提高导电性

为了进一步提高由铌，铁和锑制成的热电效率，研究人员专注于其微观结构。像大多数金属一样，热电材料由微小的晶体组成。

晶粒的组成和结构，以及它们之间空间的性质，称为晶界，对于热电材料的导热性和导电性至关重要。

先前的研究表明，晶界会降低材料的导热性和导电性。为了获得尽可能高的功率转换效率，导热系数应尽可能低，以便热量(即能量)保留在材料中。

然而，电导率应该很高，以便将尽可能多的热量转化为电能。

因此，来自马克斯·普朗克研究所、美国西北大学和德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所的团队的目标是优化晶界，使导热系数降低，而不降低导电性。

“我们使用扫描透射电子显微镜和原子探针来研究合金的微观结构，直到原子水平，”马克斯普朗克研究所的博士生Ruben Bueno Villoro说。

“我们的分析表明，需要优化晶界以改善电气和热性能。材料中的晶粒越小，晶界数越多，导电性越差，“同一研究小组的项目负责人张思源解释道。

“增加材料中颗粒的尺寸是没有意义的，因为较大的颗粒会增加导热性，我们会失去热量，从而失去能量。因此，我们必须找到一种方法来增加导电性，尽管颗粒很小。

研究人员通过用钛富集材料来解决这个问题，钛除其他外，钛会积聚在晶界并增加导电性。通过这种方式，他们将合金的热电效率提高了40%。然而，对于实际的功率转换应用，效率仍然需要显著提高。

下一步：在晶界选择性富集钛

现在，研究小组正在分析如何选择性地仅将钛添加到晶界，而无需用钛富集整个材料。这种策略节省了成本，并在很大程度上保留了热电材料的原始化学成分。

目前的研究表明，功能特性如何与材料的原子结构相关联，以优化某些特性，以实现更好的功率转换结果。