新氧化物陶瓷材料問世 有望助力緩解全球暖化?
作者 : 西維吉尼亞大學 (West Virginia University)
西維吉尼亞大學的研究團隊創造了一種氧化物陶瓷材料，有可能大大減少發電廠釋放到大氣中的熱量，解決長期困擾熱電發電機的效率問題。
發電廠中的設備可以從熱能發電，衍生出包括發電廠的熱能排放等問題，皆可能導致全球暖化加劇。由Benjamin M. Statler工程和礦產資源學院教授和George B. Berry工程系主任Xueyan Song (音譯：宋學彥)領導的團隊，創造了一種氧化物陶瓷材料。
他們團隊生產的突破性氧化物陶瓷，實現了被認為不可能實現的最高性能，她說，「我們展示了過去20年裡全世界在該領域報告的最好的熱電氧化物陶瓷，而且這些結果開闢了新的研究方向，可以進一步提高性能。」
研究人員Cesar Octavio Romo de la Cruz、Yun Chen、Liang Liang和Sergio A. Paredes Navia對這項研究做出了貢獻。這些研究結果發表在《可再生和可持續能源評論》上。
氧化物陶瓷與陶器、瓷器、粘土磚、水泥和矽等材料屬於同一家族，但各含有不同的金屬元素。它們很硬，耐高溫和耐腐蝕，很適合在空氣中的高溫應用。它們可以作為熱電發電機元件的材料。
然而，氧化物陶瓷具有由多個相連晶體組成的多晶體(Polycrystals)結構。工程師們在這些材料的大規模熱電應用中遇到了麻煩，因為晶粒邊界(grain boundary, 下稱晶界)，即這些晶體相遇的地方，阻礙了為熱電發電機提供動力的電流和電子流。
宋學彥的團隊解決了這個問題。博士後研究員Romo de la Cruz表示，「我們有意在多晶陶瓷中添加摻雜劑或金屬離子，促使特殊類型的摻雜劑偏析到晶界。這就是我們如何將不可避免且有害的晶界轉變為導電通路，大大改善了熱電性能。」
這項研究對日益嚴重的廢熱問題做出了回應，廢熱是氣候變化的促成因素，也是大多數將燃料轉化為動力的操作的副產品。當燈泡摸起來很熱的時候，它們在釋放廢熱，低效的額外能量，對它們產生光的主要工作沒有貢獻。廢熱是由發電廠、家庭供暖系統和汽車等各種系統釋放到大氣中的，而且有足夠多的廢熱被排放出來，預計到2026年，回收廢熱的系統的全球市場將超過700億美元。
「熱量幾乎被用來製造一切，從食物到金屬和電力。」Romo de la Cruz解釋，「但在這些過程中，大約60%的能量以熱的形式無益地釋放到環境中。在平衡日益增長的電力需求和工業流程的碳足跡方面，餘熱回收將發揮越來越重要的作用。熱電氧化物陶瓷通過大幅提高熱電發電機將廢熱轉化為電能的能力。」
熱電發電機是一種很有前途的廢熱回收技術，部分原因是它們易於操作且維護簡單。一個強大的熱電發電機可以捕獲發電廠的大部分廢熱。
但對於大多數應用來說，宋學彥表示，熱電技術的效率太低，不經濟，熱電在轉換能量方面缺乏有效性，這嚴重阻礙了熱電設備的發展，儘管它們是迫切需要的。她的實驗室利用納米結構工程，在只有用電子顯微鏡才能看到的原子尺度上操縱陶瓷的晶體結構解決了這一問題，創造出一種緻密的、有紋理的多晶體材料，其性能超過了目前標準的單晶體材料。
儘管幾十年來，調整各種熱電材料的性能激發了大量的理論和實驗工作，但宋學彥認為，對於塊狀氧化物陶瓷，她的實驗室是第一個證明通過納米和晶體間晶界的原子尺度工程。「這項工作正處於大規模、高溫餘熱回收的風口浪尖，」她直言，這引領了氧化物陶瓷的新時代，「我們的研究結果可以促進和加速材料比當前最先進的設計水準更高的設計。」
原文刊登於EDN China網站
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