为未来能源揭开热电材料的秘密

诸平

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.

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 Press）2024年4月1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2（Fig. 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2024年1月25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 = S²⋅σ/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).