通过修补纳米结构更有效地将热量转化为电能

热电材料将热量转化为电能，这使得它们对可持续能源生产极具吸引力，特别是考虑到工业可以将其三分之二以上的能源作为热量浪费掉。但目前热电能的大规模生产受到能量转换效率低的限制。然而，现在代尔夫特理工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源效率，而且还提出了一种具有商业吸引力的制造纳米材料的方法。结构化热电材料，增加了大规模生产热电能的机会。他们的结果发表在纳米能源.

Dutta 和 Dey 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——在这种情况下是铌、钴和锡，”Dutta 解释说。“通过调整每种元素的数量和位置——例如用更多的铌代替钴——你可以看到这如何影响材料的整体效率。”

他们的韩国合作者的结果表明，在特定温度下，这种材料会形成某些类型的纳米结构。因此，Dutta 和 Dey 基于这些观察进行了理论模拟：“首先，我们模拟了在各种不同位置添加一个或两个额外钴原子的效果，以确定这是否会提高效率，”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具有重要作用，这是进行实验的团队无法真正解释的，因为它超出了他们测量的分辨率。”

此外，Dutta 和 Dey 还展示了一种称为能量过滤的效果：“您可以将其视为低于特定能量的一种电子屏障，从而提高整体导电性，”Dutta 解释说。“通过过滤掉低能电子并允许高能电子通过，整体效率会有所提高。”

“这是一种纳米结构效应，”戴伊说。“在材料的其余部分形成纳米结构，以及它们之间的界面，作为屏障，所以如果你没有这些纳米结构，你将不会有这种效果，因为没有界面。但尽快随着这些纳米结构的形成，这些界面会阻挡低能电子，但允许高能电子通过，从而提高整体能效。”

最终，TU Delft 模拟提出了在这种定制的 NbCoSn 热电材料中提高能量效率的两个原因：在晶格结构内称为间隙位点的特定位置存在额外的钴原子，以及能量过滤效应。

此外，对为什么这种纳米结构的热电材料更节能的更好理解表明了一种更好、更适用的产生热电能的方法。Dutta 解释说：“目前，纳米结构的热电材料是通过长期而严格的破碎和加热预成型结构的过程制成的，这既耗时又耗能，因此不适合大规模生产。” 团队建议从“非结构化”或无定形材料开始，而不是走传统路线：“从无定形材料开始的优势在于它没有底层结构，因此您不需要经过这个漫长的研磨和加热过程以实现均质化。所以它

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