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新型热电材料具有创纪录的性能

鏃ユ湡;2019-06-14  鏉ユ簮锛毼粗  浣滆咃細admin

  利用最近在利用理论计算预测新材料特性方面取得的进展,研究人员周四报告发现了一类新的半赫斯勒热电化合物,其中包括具有创纪录的高品质因数 - 用于确定如何有效地,热电材料可以将热量转换成电力。

  “它在所有温度下都保持了很高的品质因数,因此在未来的应用中可能很重要,”休斯顿大学德克萨斯超导中心(TcSUH)主任,物理学家Zhifeng Ren说道。报道这项工作的论文发表于Nature Communications。

  热电材料越来越受到研究界的关注,作为“清洁”电源的潜在来源,当材料将热量 - 通常是发电厂或其他工业过程产生的废热 - 转化为电能时产生。

  已经发现了许多有希望的材料,尽管大多数材料已经不能满足广泛商业应用的所有要求。研究人员表示,他们发现由钽,铁和锑组成的半赫斯勒化合物产生了“非常有希望用于热电发电”的结果。

  研究人员测量了一种化合物的转换效率为11.4% - 这意味着每100瓦的热量就可以产生11.4瓦的电力。理论计算结果显示效率可以达到14%,Ren,他也是MD安德森UH的物理学教授。他指出,许多热电设备将具有实际应用,转换效率为10%。

  总之,研究人员预测了六种以前未报道的化合物并成功合成了一种化合物,在不使用昂贵元素的情况下提供了高性能。

  他们写道:“我们发现了6种未记录的化合物,其中5种在半赫斯勒晶体结构中是稳定的。”“基于p型TaFeSb的半赫斯勒(Heusler)是这项工作中发现的化合物之一,它表现出非常有前途的热电性能。”

  除了Ren和他的实验室成员之外,这项工作还涉及UH的其他研究人员;密苏里大学;麻省理工学院;中国科学院北京凝聚态物理国家实验室;中国重庆西南大学;德国德累斯顿金属材料研究所;中国电子科技大学;和上海大学。

  依靠理论计算来预测具有高热电性能的化合物,研究人员可以研究最有希望的化合物。但实际创造由钽,铁和锑组成的材料,由UH博士后研究人员和第一作者Hangtian Zhu和Jun Mao领导的努力证明是复杂的,部分原因是这些成分具有如此不同的物理特性。

  例如,钽的熔点高于3000摄氏度,而锑的熔点为630摄氏度。钽是硬的,而锑相对较软,使得电弧熔化 - 一种结合材料的常用方法 - 更加困难。他们能够使用球磨和热压的组合制造化合物。

  一旦化合物形成,研究人员表示,它既提供了所需的物理性质,又提供了确保结构完整性的机械性能。Ren表示,所使用的元素都是相对可用且价格低廉的,这使得该化合物具有成本效益。

  除了化合物本身的特性外,研究人员还表示,他们的研究结果为进一步依赖计算方法指导实验工作提供了强有力的支持。

  “应该注意的是,仔细的实验​​合成和化合物的评估是昂贵的,而大多数理论计算,特别是在高通量模式下应用,相对便宜,”他们写道。“因此,在进行仔细的实验​​研究之前,使用更复杂的理论研究来预测化合物可能是有益的。”

  除了Ren,Zhu和Mao之外,论文的共同作者还包括朱清,刘子航,田童和吉明宝,均为UH;李玉伟,孙吉峰,余玉浩和David J. Singh,密苏里大学;王玉梅,中国科学院北京凝聚态物理国家实验室;李冠南与中国重庆西南大学;宋启臣,周嘉伟和陈刚与麻省理工学院;Ran He,Andre Sotnikov和Kornelius Nielsch与德国德累斯顿金属材料研究所合作;任武阳,王志明,电子科技大学;李友,上海大学罗军。


 
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