普渡大学的研究人员正在开发一种技术，利用纳米技术从热管或发动机部件中收集能量，以潜在地回收工厂、发电厂和汽车中浪费的能量。

普渡大学化学工程助理教授吴岳说:“丑陋的事实是，在美国产生的58%的能量被浪费为热量。”“如果我们能回收10%，就能大大减少能源消耗和发电厂的排放。”

研究人员用他们开发的一种新的“热电”材料涂在玻璃纤维上。当热电材料的一侧被加热时，电子会流向较冷188金宝搏bet官网的一侧，从而产生电流。

涂层纤维还可以用于创造不需要压缩机和化学制冷剂的固态冷却技术。这些纤维可以被编织成一种织物来制作降温服装。

将玻璃纤维浸入含有碲化铅纳米晶体的溶液中，然后在退火过程中加热，使晶体融合在一起。这种纤维可以包裹在工厂和发电厂的工业管道上，也可以包裹在汽车发动机和汽车排气系统上，以回收大量浪费的能源。吴说，“能量收集”技术可能会大大减少热量的损失。

上个月发表在《纳米快报》杂志上的一篇研究论文详细介绍了这些发现。这篇论文的作者梁大新曾是中国吉林大学的普渡大学交换生;普渡大学研究生Scott Finefrock和Haoran Yang;和吴。

今天的高性能热电材料很脆，器件由大圆盘或块组成。188金宝搏bet官网“这种制造方法需要使用大量的材料，”吴说。这种新型柔性装置将符合发动机和排气管的不规则形状，同时只使用了传统热电装置所需材料的一小部分。

“这种方法产生了与传统热电材料相同的性能水平，但它需要使用更少的材料，这导致了更低的成本，适用于大规模生产，”吴说。188金宝搏bet官网

这种新方法有望扩大到工业过程，使大规模生产变得可行。

“我们已经展示了一种主要由玻璃组成的材料，只有300纳米厚的碲化铅涂层，”Finefrock说。“因此，虽然今天的热电设备需要大量昂贵的碲元素，但我们的材料只含有5%的碲。我们设想在卷筒到卷筒的过程中快速涂覆纤维的大规模生产制造。”

除了在受热时发电外，该材料还可以反向操作;188金宝搏bet官网施加电流使其吸收热量，代表了一种可能的固态空调方法。这种纤维有一天可能会被编织成冷却服装或用于其他冷却技术。

研究人员已经证明，这种材料具有很好的热电效率，这是通过一个公式来测量的，该公式确定了一个称为ZT的测量单位。该公式的一个关键部分是“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导热率以及其他因素定义。具有较低的热导率，较高的塞贝克系数和导电性导致较高的ZT数。

Wu说:“很难同时优化所有这三个参数，因为如果你增加导电性，导热性上升，塞贝克系数就会下降。”

大多数商用热电材料的ZT为1或更低。188金宝搏bet官网然而，纳米结构材料可能用于降低热导率和增加ZT数188金宝搏bet官网。

普渡大学的研究人员使用ZT数字来计算一种材料理论上可能的最大效率。吴说:“我们分析了材料的丰富度、成本、毒性和性能，并建立了一个称为效率比的单一参数。”

虽然高性能热电材料已经被开发出来，但这些材料还没有广泛的工业应用。188金宝搏bet官网“如今性能更高的无人机组成复杂，价格昂贵，制造难度大，”吴说。“此外，它们含有有毒物质，如锑，这限制了热电研究。”188金宝搏bet官网

纳米晶体是一种关键成分，部分原因是微小晶体之间的界面可以抑制晶格结构的振动，降低热导率。这些材料188金宝搏bet官网可能表现出“量子限制”，在这种结构中，它们的结构非常微小，它们的行为几乎像单个原子一样。“这意味着，当电子携带热量通过结构时，这些携带热量的电子的平均电压比在更大的结构中要高，”Finefrock说。“因为你有更高电压的电子，你可以产生更多的能量。”这种限制可以提高ZT值。

该纤维涂层概念已在美国申请专利。未来的工作可能集中在高温退火以提高效率，研究人员也在探索一种完全消除退火的不同方法，这可能使涂层聚合物纤维而不是玻璃成为可能。Wu说:“聚合物可以编织成一种可穿戴设备，这种设备可以成为一件降温服装。”

研究人员还可能致力于在玻璃纤维上涂上聚合物，以提高热电材料的弹性，当纤维以锐角弯曲时，这种材料往往会产生小裂缝。

研究人员通过一项实验证明了这一概念，该实验使用了一个系统，该系统将不同直径的管道嵌套在一个较大的管道中。温水流经中心管，冷水流经外层管，两者之间有一层热电材料。

普渡大学的研究人员还在探索其他材料，以取代有毒的铅和碲，初步研究结果表明，这些新材料具有很高的Z188金宝搏bet官网T值。“当然，我们的工艺使用了如此少量的材料——只有300纳米厚的一层——这一事实最大限度地减少了毒性问题，”吴说。“然而，我们也在专注于无毒和丰富的材料。”188金宝搏bet官网

这项工作得到了美国国家科学基金会和美国能源部的资助。