- 東京科學研究所開發新型熱電材料，能有效回收廢熱轉換為電能。
- 新材料的內部結構類似分層三明治，具有良好的電學特性。
- 研究證明技術可行性，但需克服轉換效率等障礙。
- 該材料的設計展示了低維材料功能嵌入大塊晶體的潛力。
東京科學研究所的研究人員開發出一種新的熱電材料，該材料具有原子級薄膜的特性，但以更實用的固體晶體形式存在。如果能在實驗室之外進行擴展，這種材料可以用於設計下一代廢熱能量回收材料。這種特性被稱為「熱電性」，意味著它能夠從兩側之間的温度差中產生電力。這使得它非常適合用於工廠排氣、車輛引擎、發電廠和爐子等應用。要發揮效果，此類材料需要滿足兩個看似相互矛盾的特性。第一，電荷必須能夠輕易通過材料移動；第二，它還必須具有較差的熱導性（即良好的絕緣體），以確保温度差不會立即消失。
新材料的結構與特性
目前的問題在於，大多數導電材料也會良好導熱。這使得熱端和冷端迅速平衡，明顯削弱了電力生成。為瞭解決這個問題，研究團隊使用了一種名為 TlFe₁.₆Se₂ 的鉈、鐵和硒的混合物。這種材料的內部結構類似於分層三明治，由極薄的硒化鐵（FeSe）層組成，這些層在一個更大的三維晶體中重複嵌入。這一點非常重要，因為原子級薄的 FeSe 薄膜在熱電生成方面具有異常良好的電學特性。
然而，僅幾個原子厚的薄膜難以製造、處理和整合到實際機械中。研究人員通過這種方式有效地在固體材料中重現了一些超薄薄膜的行為。
值得注意的是，這些新晶體設計確保某些鐵原子缺失，這一特性被稱為鐵空位。研究人員解釋説，這限制了通過晶體的熱傳導，因為熱量是通過稱為聲子（phonons）的原子振動傳遞的。作為參考，如果晶體是完全規則的，這些振動可以輕易傳播。然而，當存在缺陷時，這些聲子會被散射，原子鍵會變形，整個晶格會改變，使得熱量無法輕易傳遞。最終結果是，該材料的熱導率極低，約為每米-開的 0.2 瓦特，在約 356°F（180°C）下測得。
在實際應用中，該材料幾乎像一種熱絕緣體，同時仍能產生電響應，這是一項相當了不起的成就。
實際應用的挑戰
至於實際使用，這項研究僅在實驗室內證明瞭技術的可行性。為了能夠應用於實際的電力生成，研究人員仍需克服整體轉換效率等障礙。此外，長期穩定性、成本和可擴展性、強度以及在工業環境等實際場所的性能也需要解決。鉈的存在還引入了安全和封閉問題，因為它具有高度毒性。「這項工作展示了一種新設計概念的有效性，即將低維材料的功能嵌入到大塊晶體中，」東京科學研究所材料與結構實驗室的首席教授片瀬貴義表示。
「這些結果為下一代熱電材料的開發提供了一條有希望的途徑，克服了傳統電學和熱學傳輸特性之間的權衡。」該研究已發表於《材料化學 A 期刊》。
新型熱電材料的潛在影響
這項研究展示了熱電材料在廢熱回收方面的重要潛力，尤其是對於工廠和車輛等高能耗場所。透過創新的材料設計，研究團隊成功地在固體材料中重現了超薄薄膜的優異性能，這對提升能量轉換效率至關重要。然而，實際應用仍需解決多項挑戰，包括轉換效率、長期穩定性及材料安全性等問題。這些突破可能為未來的能源回收技術帶來新的方向。