“十五五”筹划摘记建议，真切引申动力安全新政策，加速构建清洁低碳安全高效的新式动力体系，开辟动力强国。

热电时期能将消散的热量从头蚁合、化为电能，为绿色低碳生存提供有劲支捏。由中国科协学术支捏、东谈主民日报制作的 “科技・新知” 版，本期推出“院士讲科普”栏目，邀请中国科学院院士、热电材料大师陈立东叙述“点热成电”背后的科技魔力。

柔性热电器件应用于可一稔电子设备走漏图。

陈立东院士在作念科普讲座。

方钴矿结构图。以上图片均为中国科学院上海硅酸盐接头所提供

贵府着手：中国科学院上海硅酸盐接头所

在中国科学院上海硅酸盐接头所的一间实践室里，数块柬帖大小的灰玄色材料片，借助两头200多摄氏度的温差，捏续输出电能。这些看起来不起眼的“灰片”，恰是中国科学院院士、热电材料大师陈立东钻研20多年的热电材料，经过接头，这些材料被赋予了“点热成电”的魔力，承载着将撤消热能转动为清洁电力的科学设念念。

“民众范围内，东谈主类所使用的低级动力中有率先60%最终以废热姿首磨灭于环境。从钢铁厂燥热的烟谈到汽车的排气管，以致是咱们厨房里的灶台——只须存在温度高于环境的热源，就有一座未被开发的‘动力金矿’。”陈立东说。

怎样高效开采“动力金矿”？热电调养时期是极具后劲的有用旅途。陈立东院士团队在热电材料上获得的一系列打破，正让这条旅途变得越来越明晰、可行。

热电调养重要在材料

热电效应是什么？让咱们回到19世纪初的一个场景：当德国物理学家托马斯·塞贝克将手指放在一个铋的块体上，放在线圈里的指南针倏得动掸，用乙醇灯烧这个铋的块体，动掸则更较着。这即是热电效应的发现。它揭示了由两种不同导体组成的回路两头存在温差时，回路中会产生电流——这即是热电材料发电的物理基础。

“旨趣看似浮浅，但将实践室景象转动为郑重、高效、可界限化应用的工程时期有很大挑战。”陈立东先容，“主要瓶颈在于材料。一个理念念的热电材料，需要演出一个‘矛盾变装’：它必须像铜相同善于传导电子（高电导率），同期又得像泡沫玻璃相同屈膝热量的平直传递（低热导率），何况还能产生大的电压（温差电势）。独一这么，材料两头才调配置并督察满盈的温差，从而捏续输出高功率。此外，它还必须在高温下保捏郑重，对环境友好且老本可控。”

简略齐备达到这些严苛条目的材料相等稀缺。一种被称为“方钴矿”的自然矿物受到关心，它的晶体结构相等突出，由钴、砷等元素组成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构，框架中间酿成了一个个成列功令的孔洞，就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为咱们大开了浩瀚的性能调控空间。”陈立东先容。

上世纪90年代，外洋科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。甩掉令东谈主清脆：这些被填入的原子在“笼”内像一个个活跃的“弹珠”，对传播热量的声子（晶格振动）酿成了极其浓烈的散射。

“这相等于在材料里面构建了高效的‘声子散射聚积’。”陈立东说，“本来的热量在晶格中传递，好比汽车在空旷的高速公路上驰骋。现时，咱们填入的原子就像多量个立时出现、剧烈振动的‘降速带’和‘路障’，极地面遏制了‘热流车辆’的速率，从而大幅镌汰了材料的晶格热导率。同期材料的电学传输通谈受到的影响相对较小。”这么一来，方钴矿的短板——热导率高的情况就得以弥补。

这类新材料被定名为“填充方钴矿”。它们的出现为热电材料接头大开了一扇新大门，并马上成为该界限前沿热门。

尝试原子填充，找到“最好配方”

2001年，我国开动了对方钴矿热电材料的系统接头。陈立东投入中国科学院上海硅酸盐接头所，奋发于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

“追踪前沿诚然迫切，金年会(JinNianHui)体育更要知其是以然，并齐备卓越。”陈立东偏执团队不仅奋发于开发新材料配方，更真切探究其背后的物理机制。2005年，陈立东与互助团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动方式偏执对热传输的强散射机制。

团队尝试用不同特质的原子进行“填充”。从单一的稀土元素（如钡、镱），到碱金属（如钠、钾），探索的方法不休加速。“就像在微不雅寰宇里进行‘烹调’实践。”陈立东说，“不同的填充原子是不同的‘调味料’，有的原子‘个头大’，振动幅度强；有的原子‘电荷多’，与笼壁相互作用不同。咱们要找到‘最好配方’，让笼中振动达到最理念念的气象，从而齐备热电性能的极致优化。”

探索很快从“单填”走向“共填”——通过将两种或三种不同尺寸、不同质料的原子协同填入方钴矿晶格笼，不错产生更复杂、更高效的声子散射频谱，将热导率降至接近表面极限。2011年，团队收效研制出多种元素原子共填充的方钴矿材料，其热电优值（磋议热电性能的中枢目的）达到了其时同类材料的国际率先水平，瑰丽着我国在该材料体系的接头置身寰宇前哨。

调养后果擢升，走向浩瀚应用

领有高性能的块体材料，仅仅第一步。怎样将这些脆性的陶瓷类材料片与金属电极更好地连接起来，拼装成能承受高温、大温差、振动等严苛查验的坚固热电发电模块？

陈立东说：“热电材料与金属电极的热彭胀扫数常常互异很大。在反复的升降温轮回中，一个‘胀’得多，一个‘胀’得少，界面处会产生庞大的热应力，最终导致连接处开裂、零碎，器件失效。这好比用水泥和木头牢牢黏合，太阳一晒，木头彭胀小，水泥彭胀大，接合部势必开裂。”

为了克服这一贫穷，团队2004年就引入并发展了“放电等离子烧结”时期，能在短短几分钟内施加高温、高压，将填充方钴矿粉末与特定配方的电极合金粉末一次性烧结成形。“这个经由就像‘闪电焊合’，在原子圭臬上让两者良好联接。”陈立东说。

尔后，团队开展了一系列系统性、工程化接头。比如“在绝壁筑缓坡”——通过假想多层的梯度电极，缓冲材料与末端电极之间的热彭胀失配，让热应力直爽过渡。同期开展长久可靠性考证与批量化制备工艺探索，为改日工程应用铺路。

20多年来，团队将热电器件的调养后果从不到6%擢升到了接近15%。

接近15%的调养后果意味着什么？陈立东例如说：“以中型卡车为例，其发动机排放的尾气温度高达500—600摄氏度。要是期骗咱们的模块回收这部分废热发电，表面上不错知足车辆部分援手电器的用电需求，或为电板充电，带来可不雅的节能收益和碳减排量。”

现时，填充方钴矿等系列新式热电材料正从实践室走向更浩瀚的应用六合。陈立东描写了热电时期深度融入出产生存的场景：工业余废热回收的“动力捕手”、交通运载的“绿色增效器”、深空探索的“腹黑”、数据中心与芯片的“贴身冷却师”……

“现时，材料老本、系统集成后果、长久运行爱护老本，皆是产业化谈路上需要捏续优化的课题。”陈立东以为，借助东谈主工智能，改日接头标的将愈增加元，应用场景也将愈加丰富。

着手：东谈主民日报

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