向应用迈进：复合材料热电转化效率提升10倍

材料牛注：俄亥俄州立大学的研究小组利用铂-镍复合材料，大幅提升了热电材料的转化效率，有望用于汽车发动机和喷射发动机等工业领域。

俄亥俄州立大学的工程师们利用镍-铂复合磁性材料，将之前薄膜材料的输出电压放大了10倍，目前使用的材料与之前使用的材料相比，更厚且更接近未来电子器件中的元件。相关研究成果发表于Nature Communications。

许多电气和机械设备，例如汽车发动机，在正常工作时会产生热量。该项研究的共同作者Stephen Boona解释说：这一热量通常称为“废热”，热力学基本定律表明其一定存在。然而，逐渐兴起的固态热电学研究的目的则在于，设计特殊的材料将废热转化为电能，以提高发动机整体的能量转化效率。

俄亥俄州立大学的博士后研究生Boona说道：“我们使用的能源中，有一半被浪费，并以热的形式散发到大气中。固体热电元件可以帮助我们收集一部分浪费的能量。这些元件不需运动、不会磨损、强度高且不需要维护。不幸的是，目前这类材料高价、低效，限制了其广泛使用。我们正致力于改变这一现状。”

2012年，由Joseph Heremans领导的俄亥俄州立大学的研究小组发现，由磁场产生的量子力学效应—自旋塞贝克效应，会在纳米复合材料薄膜上，产生几个微伏至几个毫伏的电压。

在最新的进展中，由铂-镍（铂喷涂在镍的表面）复合材料产生的电压为几个纳伏至几百个纳伏，这一电压小于之前研究中产生的电压，但设计的热电器件更加易于制作，并可以稳定的按比例放大以实现工业应用。

航天机械工程教授、俄亥俄州纳米技术领域的杰出学者Heremans说：“一定程度上，将相同的技术用于更厚的材料，需要研究者重新思考热力学和热电学的基本方程，这些方程在量子力学诞生之前，便已由科学家们提出。”量子力学关注的是光子—光波和光粒子，在Hereman的研究中，关注的则是磁量子—磁性波和磁性粒子。Heremans说：“从根本上说，经典热力学涵盖了以蒸汽为工质（工作流体）的蒸汽机，及以气体为工质的喷气发动机和汽车发动机。热电元件的工质为电子。在这项研究中，我们以磁量子作为工质。”

目前为止，在基于磁量子的热力学研究中，使用的材料通常为只有几个原子层厚的薄膜，性能最好的薄膜产生的电压也非常小。在2012年发表的文章中，他的研究小组利用磁量子轰击电子，使得电子通过热电材料。目前发表在Nature Communications上的文章中，他们将相同的技术应用于块状复合材料，并提高了废热的利用效率。

研究者们摒弃了先前直接将铂片放在磁性材料上方的做法，转而将少量的铂纳米颗粒随机分散在磁性材料镍中。自旋塞贝克效应提高了复合材料的输出电压。这意味着在热量一定的情况下，复合材料产生的电能高于单一材料。与薄膜材料相比，由于块体复合材料导电优良，因此其他电气部件可以更有效的获取电压。

目前这一复合材料还无法实际应用，Heremans相信这项研究创立的基本原理将激发废热发电机的深入研究，并可能应用于汽车发动机和喷射发动机。这一理念适用于各类材料的组合，新的方法减少了铂等贵金属的用量，而且不需要使用薄膜生长等复杂的处理工艺。

原文链接：One step closer to reality: Devices that convert heat into electricity: Composite material yields 10 times -- or higher -- voltage output.

文献链接：Energy conversion approaches and materials for high-efficiency photovoltaics.

本文由材料人编辑部月亮提供素材，田思宇编译，黄超审核；点我加入材料人编辑部。

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