原标题：“点热成电”，挖掘动力金矿（院士讲科普）

柔性热电器件应用于可衣着电子拓荒暗示图。

陈立东院士在作念科普讲座。

方钴矿结构图。以上图片均为中国科学院上海硅酸盐忖度所提供

尊府开端：中国科学院上海硅酸盐忖度所

“十五五”缱绻摘录建议，深切执活动力安全新计策，加速构建清洁低碳安全高效的新式动力体系，建设动力强国。

热电时刻能将消散的热量从头趋附、化为电能，为绿色低碳生涯提供有劲维持。本期“院士讲科普”，咱们请中国科学院院士、热电材料大家陈立东讲明“点热成电”背后的科技魔力。

——编  者

在中国科学院上海硅酸盐忖度所的一间践诺室里，数块柬帖大小的灰玄色材料片，借助两头200多摄氏度的温差，捏续输出电能。这些看起来不起眼的“灰片”，恰是中国科学院院士、热电材料大家陈立东钻研20多年的热电材料，经过忖度，这些材料被赋予了“点热成电”的魔力，承载着将打消热能滚动为清洁电力的科学设念念。

“大家范围内，东谈主类所使用的低级动力中有高出60%最终以废热相貌湮灭于环境。从钢铁厂盛暑的烟谈到汽车的排气管，甚而是咱们厨房里的灶台——只消存在温度高于环境的热源，就有一座未被开发的‘动力金矿’。”陈立东说。

怎样高效开采“动力金矿”？热电调度时刻是极具后劲的灵验旅途。陈立东院士团队在热电材料上获得的一系列闭塞，正让这条旅途变得越来越明晰、可行。

热电调度要道在材料

热电效应是什么？让咱们回到19世纪初的一个场景：当德国物理学家托马斯·塞贝克将手指放在一个铋的块体上，放在线圈里的指南针眨眼间动掸，用乙醇灯烧这个铋的块体，动掸则更昭着。这即是热电效应的发现。它揭示了由两种不同导体组成的回路两头存在温差时，回路中会产生电流——这即是热电材料发电的物理基础。

“旨趣看似浅近，但将践诺室气候滚动为踏实、高效、可领域化应用的工程时刻有很大挑战。”陈立东先容，“主要瓶颈在于材料。一个理念念的热电材料，需要演出一个‘矛盾扮装’：它必须像铜相通善于传导电子（高电导率），同期又得像泡沫玻璃相通抗争热量的平直传递（低热导率），况兼还能产生大的电压（温差电势）。只消这么，材料两头才智建立并保管奢华的温差，从而捏续输出高功率。此外，它还必须在高温下保捏踏实，对环境友好且资本可控。”

大致竣工达到这些严苛条目的材料相配稀缺。一种被称为“方钴矿”的自然矿物受到存眷，它的晶体结构相配特殊，由钴、砷等元素组成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构，框架中间变成了一个个胪列程序的孔洞，就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为咱们掀开了广阔的性能调控空间。”陈立东先容。

上世纪90年代，海外科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。戒教唆东谈主奋斗：这些被填入的原子在“笼”内像一个个活跃的“弹珠”，对传播热量的声子（晶格振动）变成了极其热烈的散射。

“这相配于在材料里面构建了高效的‘声子散射聚集’。”陈立东说，“正本的热量在晶格中传递，好比汽车在空旷的高速公路上疾驰。当今，咱们填入的原子就像多半个立地出现、剧烈振动的‘延缓带’和‘路障’，极地面断绝了‘热流车辆’的速率，从而大幅裁减了材料的晶格热导率。同期材料的电学传输通谈受到的影响相对较小。”这么一来，方钴矿的短板——热导率高的情况就得以弥补。

这类新材料被定名为“填充方钴矿”。它们的出现为热电材料忖度掀开了一扇新大门，并赶快成为该领域前沿热门。

尝试原子填充，找到“最好配方”

2001年，我国运行了对方钴矿热电材料的系统忖度。陈立东参加中国科学院上海硅酸盐忖度所，努力于于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

“追踪前沿自然紧迫，更要知其是以然，开运体育中国官网入口并扫尾非常。”陈立东过头团队不仅努力于于开发新材料配方，更深切计议其背后的物理机制。2005年，陈立东与统一团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动形式过头对热传输的强散射机制。

团队尝试用不同特点的原子进行“填充”。从单一的稀土元素（如钡、镱），到碱金属（如钠、钾），探索的要领不断加速。“就像在微不雅寰球里进行‘烹调’践诺。”陈立东说，“不同的填充原子是不同的‘调味料’，有的原子‘个头大’，振动幅度强；有的原子‘电荷多’，与笼壁相互作用不同。咱们要找到‘最好配方’，让笼中振动达到最理念念的情景，从而扫尾热电性能的极致优化。”

探索很快从“单填”走向“共填”——通过将两种或三种不同尺寸、不同质地的原子协同填入方钴矿晶格笼，不错产生更复杂、更高效的声子散射频谱，将热导率降至接近表面极限。2011年，团队得胜研制出多种元素原子共填充的方钴矿材料，其热电优值（量度热电性能的中枢机划）达到了那时同类材料的国际源流水平，记号着我国在该材料体系的忖度置身寰球前线。

调度恶果进步，走向广阔应用

领有高性能的块体材料，仅仅第一步。怎样将这些脆性的陶瓷类材料片与金属电极更好地流畅起来，拼装成能承受高温、大温差、振动等严苛考试的坚固热电发电模块？

陈立东说：“热电材料与金属电极的热推广总共经常各异很大。在反复的升降温轮回中，一个‘胀’得多，一个‘胀’得少，界面处会产生广阔的热应力，最终导致流畅处开裂、零碎，器件失效。这好比用水泥和木头牢牢黏合，太阳一晒，木头推广小，水泥推广大，接合部势必开裂。”

为了克服这一艰难，团队2004年就引入并发展了“放电等离子烧结”时刻，能在短短几分钟内施加高温、高压，将填充方钴矿粉末与特定配方的电极合金粉末一次性烧结成形。“这个经过就像‘闪电焊合’，在原子标准上让两者细巧结合。”陈立东说。

而后，团队开展了一系列系统性、工程化忖度。比如“在陡壁筑缓坡”——通过想象多层的梯度电极，缓冲材料与末端电极之间的热推广失配，让热应力粗造过渡。同期开展长久可靠性考证与批量化制备工艺探索，为改日工程应用铺路。

20多年来，团队将热电器件的调度恶果从不到6%进步到了接近15%。

接近15%的调度恶果意味着什么？陈立东例如说：“以中型卡车为例，其发动机排放的尾气温度高达500—600摄氏度。要是旁边咱们的模块回收这部分废热发电，表面上不错自豪车辆部分接济电器的用电需求，或为电板充电，带来可不雅的节能收益和碳减排量。”

现时，填充方钴矿等系列新式热电材料正从践诺室走向更广阔的应用六合。陈立东描画了热电时刻深度融入分娩生涯的场景：工业余废热回收的“动力捕手”、交通运载的“绿色增效器”、深空探索的“腹黑”、数据中心与芯片的“贴身冷却师”……

“现时，材料资本、系统集成恶果、长久运行齰舌资本，齐是产业化谈路上需要捏续优化的课题。”陈立东觉得，借助东谈主工智能，改日忖度所在将愈增多元开运体育，应用场景也将愈加丰富。