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为未来能源揭开热电材料的秘密 精选

已有 2665 次阅读 2024-4-2 19:05 |个人分类:新观察|系统分类:科普集锦

为未来能源揭开热电材料的秘密

诸平

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Fig. 1 Thermoelectric materials, once primarily focused on converting waste heat to electricity, now facilitate catalytic processes, offering innovative solutions for energy efficiency and environmental enhancements.

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Fig. 2 Working modes of TECatal systems: (a) hybrid structure mode, (b) single-phase mode, (c) P-N nanojunction mode, and (d) thermogalvanic cell mode. Potential applications of TECatal materials in (e) H2 production and CO2 reduction, (f) tumor therapy, (g) vehicle tail gas treatment, and (h) window glass coating for indoor air purification. Credit: Science China Press

据《中国科学》杂志社(Science China Press202441日提供的消息,中加科学家合作为未来能源揭开了热电材料的秘密(Unlocking the Secrets of Thermoelectric Materials for Future Energy)。

热电材料(Thermoelectric Materials)是将热能转化为电能和减少浪费的关键,在自然和工业热梯度的驱动下,热电材料的用途已经从热回收扩大到催化。

随着人类社会的快速发展,对能源的需求呈爆发式增长。但现阶段一次能源的利用效率不足40%,其余部分以余热的形式散失,不仅造成了严重的能源浪费,而且加剧了环境问题。

热电材料作为一种能够将热能直接转化为电能的新型能源材料,在余热回收领域受到越来越多的关注。当热电材料两端存在温差时,在材料内部产生热电动势(thermoelectromotive force),从而实现热能向电能的转换。

热电材料的新兴应用(Emerging Applications of Thermoelectric Materials

近年来,热电材料除了用作发电机外,还开辟了催化的新方向。自然界和工业生产中普遍存在的热量所造成的小温度梯度(<100 )为催化反应提供了足够的动力。

这使得低品位废热资源的再利用能够驱动不同的催化过程,如制氢、有机合成、环境净化和生物医学应用。为提高能源利用效率、节能减排、绿色催化提供了新的解决方案。

热电催化的研究进展与展望(Advances and Future Prospects in Thermoelectrocatalysis

基于这一新兴领域的最新进展,来自中国江苏大学量子与可持续技术研究所{ Institute of Quantum and Sustainable Technology (IQST), School of Chemistry and Chemical Engineering, Jiangsu University, China}的团队,提出了热电催化(thermoelectrocatalysis简称TECatal)的概念应用方向,并系统总结了现有的热电催化材料和工作模式。提出了4种主要的工作模式,包括杂化结构模式(hybrid structure mode)、单相模式(single-phase mode)、P-N纳米结模式(P-N nanojunction mode)以及热原电池模式(thermogalvanic cell mode),参见图2Fig. 2)所示。

本研究从优化热电性能(thermoelectric properties)、优化能带工程(band engineering)、优化微结构(microstructures)、优化稳定性(stability)等方面探索提高热电催化材料性能的途径。并对热电催化材料在绿色能源(green energy)、肿瘤治疗(tumor treatment)、环境治理(environmental governance)等领域的应用前景进行了展望和探讨,为该领域的未来发展提供了重要参考。相关研究结果于2024125日已经在《自然科学评论》(National Science Review)杂志网站发表——Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu, Federico Rosei. Thermoelectrocatalysis: an emerging strategy for converting waste heat into chemical energy. National Science Review, 2024, 11(4), nwae036. DOI: 10.1093/nsr/nwae036. Published: 25 January 2024. 

参与此项研究的除了来自江苏大学量子与可持续技术研究所(IQST)的研究人员之外,还有来自中国北京航空航天大学(Beihang University, China)、清华大学(Tsinghua University, China)、中国南方科技大学(Southern University of Science and Technology, China)以及加拿大国家科学研究所(Institut national de la recherche scientifique, Canada)的研究人员。

这项研究得到了中国国家自然科学基金项目{National Natural Science Foundation of China (22075126, 52202242 and 22350710187)}和深圳市杰出青年创新计划项目{Shenzhen Innovation Program for Distinguished Young Scholars (RCJC20210706091949018)}的资助。

上述介绍,仅供参考。欲了解更多信息,敬请注意浏览原文或者相关报道

Abstract

Waste heat emissions are universally present in the environment and industrial production. Innovations aimed at efficiently utilizing low-grade thermal energy have long been desired. Among these, thermoelectric materials can directly convert heat into electricity based on the Seebeck effect. The overall performance of a thermoelectric material is assessed through a dimensionless figure of merit, ZT, represented as ZT = S2σ/κ, where S is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity and κ is the thermal conductivity. In the pursuit of high conversion efficiency, recent years have witnessed the emergence of many promising thermoelectric materials with notable ZT values (>2).



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