纳米晶体包覆纤维减少浪费的能量

如今，技术浪费了太多的能源，并且大量的热量以热的形式被浪费（在美国，这一比例高达58％）。好消息是，这意味着有很多潜力可以挖掘/捕获浪费的能源并将其用于更好的目的。普渡大学的研究人员正在对此进行研究。以下是普渡大学新闻服务的更多内容：

此图显示了涂有热电材料的玻璃纤维，当暴露于热时会产生电流。该技术可能用于从热管或发动机组件中收集能量，这可能是一种回收工厂，发电厂和汽车中浪费的能量的方法。（普渡大学照片/ Scott W.Finefrock）

研究人员正在开发一种利用纳米技术从热管或发动机组件中收集能量以潜在地回收工厂，发电厂和汽车中浪费的能量的技术。

普渡大学化学工程助理教授岳武说：“丑陋的事实是，美国产生的能源中有58％被浪费为热量。”“如果我们仅能获得10％的回报，那将使我们能够大大减少能源消耗和电厂排放。”

研究人员已经用他们开发的新型“热电”材料对玻璃纤维进行了涂层。当热电材料在一侧加热时，电子流向较冷的一侧，从而产生电流。

涂层纤维也可用于创建不需要压缩机和化学制冷剂的固态冷却技术。可以将纤维编织成织物以制造凉爽的衣服。

将玻璃纤维浸入含有碲化铅纳米晶体的溶液中，然后在称为退火的过程中暴露于热，以使晶体融合在一起。

这种纤维可以缠绕在工厂和发电厂的工业管道周围，以及在汽车发动机和汽车排气系统上，以回收大量浪费的能量。吴说，“能量收集”技术可能会大大减少损失的热量。

上个月发表在《纳米快报》（Nano Letters）上的一篇研究论文中详细介绍了这些发现。该论文由中国吉林大学普渡大学前交换生梁大新撰写。普渡大学的研究生Scott Finefrock和Haoran Yang；和吴。

当今的高性能热电材料非常脆，并且这些设备由大的圆盘或块形成。

吴说：“这种制造方法需要使用大量材料。”

新的柔性设备将符合发动机和排气管的不规则形状，同时使用传统热电设备所需材料的一小部分。

Wu说：“这种方法产生的性能与传统热电材料相同，但所需材料少得多，这导致成本降低，并且可以批量生产。”

新方法有望提供一种可扩展至工业过程的方法，从而使大规模生产变得可行。

“我们已经证明了一种主要由玻璃组成的材料，厚度只有300纳米厚的碲化铅，” Finefrock说。“因此，尽管当今的热电设备需要大量昂贵的元素碲，但我们的材料仅包含5％的碲。我们设想大规模生产制造，以便在卷到卷过程中快速涂覆纤维。”

除了在受热时发电外，这些材料还可以相反的方式进行操作：施加电流使其吸收热量，这代表了一种可能的固态空调方法。此类纤维有一天可能被编织到冷却服中或用于其他冷却技术。

研究人员表明，这种材料具有令人鼓舞的热电效率，可以使用公式对这种材料进行测量，以确定一种称为ZT的测量单位。公式的关键部分是“塞贝克系数”，以19世纪德国物理学家托马斯·塞贝克（Thomas Seebeck）的名字命名，他发现了热电效应。

ZT由塞贝克系数以及材料的电导率和热导率以及其他因素定义。具有低热导率，高塞贝克系数和电导率导致高ZT数。

Wu说：“很难同时优化所有这三个参数，因为如果增加电导率，而导热率上升，则塞贝克系数会下降。”

商业上使用的大多数热电材料的ZT为1或更低。但是，可以使用纳米结构材料来降低热导率并增加ZT数。

普渡大学的研究人员已使用ZT数来计算理论上可能对材料产生的最大效率。

Wu说：“我们分析了材料的丰度，成本，毒性和性能，并建立了一个称为效率比的参数。”

尽管已经开发了高性能的热电材料，但是这种材料在广泛的工业应用中并不实用。

Wu说：“当今性能更高的产品成分复杂，使其昂贵且难以制造。”“此外，它们还包含有毒物质，例如锑，这限制了热电研究。”

纳米晶体是关键成分，部分原因是微小晶体之间的界面可抑制晶格结构的振动，从而降低热导率。这些材料可能表现出“量子约束”，其中的结构是如此之细，以至于它们的行为几乎像单个原子。

“这意味着，当电子通过结构传递热量时，那些载热电子的平均电压将高于较大结构中的平均电压，” Finefrock说。“由于电子电压较高，因此可以产生更多的功率。”

这种限制可以增加ZT数。

纤维涂层概念已经提交了美国专利申请。

未来的工作可能集中在高温退火以提高效率，研究人员也正在探索另一种完全消除退火的方法，这可能使涂覆聚合物纤维而不是玻璃成为可能。

吴说：“可以将聚合物编织到可穿戴设备中，该设备可以是凉爽的衣服。”

研究人员还可以努力在玻璃纤维上涂上聚合物，以提高热电材料的回弹性，当玻璃纤维以锐角弯曲时，热电材料往往会产生小裂纹。

研究人员通过使用包含嵌套在较大试管中的直径不同的试管的系统的实验，对该概念进行了演示。热水流经中心管，冷却水流经外管，两者之间有一层热电材料。

普渡大学的研究人员还正在探索其他有毒物质，而不是铅和碲，因为铅和碲是有毒的，初步发现表明这些新材料具有很高的ZT值。

“当然，我们的工艺使用了如此少量的材料（厚度仅为300纳米的事实），将毒性问题降至最低，”吴说。“但是，我们还专注于无毒且丰富的材料。”

这项工作是由美国国家科学基金会和美国能源部资助的。