西弗吉尼亚大学的研究人员设计了一种材料，该材料有可能显著减少热电厂释放到大气中的热量。
由本杰明·M·斯塔特勒工程与矿产资源学院教授兼乔治·B·贝瑞工程学主席 Xueyan Song 领导的团队创造了一种氧化物陶瓷材料，解决了长期困扰热电发电机的效率问题。这些设备可以利用热量发电，包括导致全球变暖的发电厂排放的热量。
她说，宋的团队生产的突破性氧化物陶瓷“实现了曾被认为不可能实现的创纪录性能”。“我们展示了过去 20 年来全球范围内该领域报道的最好的热电氧化物陶瓷，结果开辟了可以进一步提高性能的新研究方向。”
研究人员 Cesar Octavio Romo de la Cruz、Yun Chen、Liang Liang 和 Sergio A. Paredes Navia 对这项研究做出了贡献，得到了美国国家科学基金会639,784美元的资助。该研究结果发表在《可再生能源与可持续能源评论》上。
氧化物陶瓷与陶器、瓷器、粘土砖、水泥和硅等材料同属一类，但含有多种金属元素。它们坚硬、耐热和耐腐蚀，非常适合在空气中的高温应用，它们可以用作热电发电机组件的材料。
然而，氧化物陶瓷具有由多个连接的晶体组成的“多晶”结构。工程师在这些材料的大规模热电应用中遇到了麻烦，因为“晶界”，即这些晶体相遇的地方，阻碍了为热电发电机提供动力的电流和电子流动。
宋的团队将这个绊脚石变成了垫脚石。
博士后研究员Romo de la Cruz说：“我们有意在多晶陶瓷中添加‘掺杂剂’或金属离子，推动特殊类型的掺杂剂向晶界分离。”“这就是我们如何将不可避免的有害晶界转化为导电途径，显著提高热电性能的方法。”
该研究旨在应对日益严重的废热问题，废热是气候变化的一个因素，也是大多数将燃料转化为动力的操作的副产品。当灯泡摸起来很热时，它们会释放出废热：这是一种效率低下的额外能量，对它们发光的主要工作没有贡献。废热通过发电厂、家庭供暖系统和汽车等多种系统释放到大气中，并且排放的废热足够多，预计到2026年全球回收废热的系统市场将超过700亿美元。
Romo de la Cruz 解释说：“热量几乎可以用来制造从食物到金属和电力的所有东西。” “但在这些过程中，大约 60% 的能量以热量的形式释放到环境中。废热回收将在平衡不断增长的电力需求与工业过程的碳足迹方面发挥越来越重要的作用。像我们这样的热电氧化物陶瓷通过大幅提高热电发电机将废热转化为电能的能力而发挥作用。”
热电发电机是一种很有前途的废热回收技术，部分原因是它们易于操作和维护。强大的热电发电机可以捕获发电厂很大一部分的废热。
但“对于大多数应用来说，热电技术效率太低，不经济，”宋教授说。“热电在转换能量方面缺乏有效性，严重阻碍了热电装置的发展，尽管它们是迫切需要的。”
她的实验室利用纳米结构工程解决了这个问题—在只有电子显微镜才能看到的原子尺度上操纵陶瓷的晶体结构，这种结构只能用电子显微镜才能看到—创造出一种致密、有纹理的多晶材料，其性能优于目前标准的单晶材料。
尽管几十年来，调整各种热电材料的性能激发了大量的理论和实验工作，但宋认为，对于块状氧化物陶瓷，她的实验室是第一个通过纳米和原子尺度的晶体晶界工程来证明热能发电效率显著提高的实验室。
“这项工作正处于大规模、高温废热回收的风口浪尖，”宋教授说。“它引领了氧化物陶瓷的新时代，并与美国能源部的工业热射计划保持一致，旨在开发具有成本竞争力的工业热脱碳技术，到2035年温室气体排放量至少降低 85%。”我们的研究结果可以促进和加速材料的设计，这比目前的技术水平要高得多。”
在此项研究中，林赛斯 LSR 和 LFA 发挥了重要作用。
