通过修补纳米结构更有效地将热转换为电

热电材料将热量转化为电能，这使其对可持续能源生产极具吸引力，尤其是考虑到工业可以将其三分之二的能源浪费为热量。但是，目前热能的大量生产受到低能量转换效率的限制。但是，现在，代尔夫特大学材料科学与工程系的研究人员Biswanath Dutta和Poulumi Dey不仅能够解释热电材料中的纳米结构如何提高能效，而且还提出了一种具有商业吸引力的方式来制造纳米材料结构化的热电材料，增加了热电能量大规模生产的机会。他们的结果发表在纳米能源。

Dutta和Dey的工作的起点是他们在韩国的共同研究人员提供的实验结果，他们正在研究一种著名的热电材料，即所谓的NbCoSn半赫斯勒化合物。“这基本上是一种特定类型的晶体结构，您可以在其中放入某些元素(在这种情况下为铌，钴和锡)，” Dutta解释说。“并且通过同时权衡每种元素的含量和位置(例如，用更多的铌代替钴)，您可以看到这如何影响材料的整体效率。”

韩国合作者的结果表明，在特定温度下，这种材料内会形成某些种类的纳米结构。因此，Dutta和Dey根据这些观察结果进行了理论模拟：“首先，我们模拟了在一个不同的位置添加一个或两个额外的钴原子的效果，以了解这是否会提高效率，” Dey说。“事实证明，这种额外钴的位置确实对这种材料的整体性能起着重要作用，这是进行实验的团队无法真正解释的，因为它超出了测量的分辨率。”

此外，Dutta和Dey还能够证明一种称为能量过滤的效应：“您可以将其视为对低于特定能量的电子的一种势垒，这反过来又可以提高整体电导率，” Dutta解释说。“通过滤除低能电子并允许高能电子通过，可以提高整体效率。”

Dey说：“这是一种纳米结构效应。” “是其余材料中纳米结构的形成以及它们之间的界面起到了屏障的作用，因此，如果您没有这些纳米结构，则不会产生这种效果，因为没有界面。但是很快随着这些纳米结构的形成，您将获得这些界面，这些界面可以阻挡低能电子，但允许高能电子通过，从而提高了整体能效。”

最终，TU Delft仿真提出了这种定制的NbCoSn热电材料提高能效的两个原因：在晶格结构内称为间隙位的特定位置存在额外的钴原子，以及能量过滤效果。

此外，对这种纳米结构热电材料为何更具能源效率的更好的理解表明了产生热电能量的更好，更适用的方式。Dutta解释说：“目前，纳米结构的热电材料是通过漫长而严格的过程来粉碎和加热预制结构而制成的，这既耗时又耗能，因此不适合批量生产。” 研究小组建议不要使用常规的方法，而应该从“非结构化”或非晶态材料开始：“从非晶态材料开始的优点是它没有底层结构，因此您无需遍历研磨和加热过程很长，以实现均质。

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