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一稔电子诱惑暗示图。

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推敲所提供

尊府开首：中国科学院上海硅酸盐推敲所

“十五五”缠绵纲领提议，深刻实举止力安全新战术，加速构建清洁低碳安全高效的新式动力体系，建筑动力强国。

热电时间能将消散的热量重新齐集、化为电能，为绿色低碳生涯提供有劲撑抓。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演“点热成电”背后的科技魔力。

——编  者

在中国科学院上海硅酸盐推敲所的一间施行室里，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，抓续输出电能。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，经过推敲，这些材料被赋予了“点热成电”的魔力，承载着将拆除热能滚动为清洁电力的科学设念念。

“大家范围内，东说念主类所使用的低级动力中有跳跃60%最终以废热时势隐藏于环境。从钢铁厂燥热的烟说念到汽车的排气管，以至是咱们厨房里的灶台——只须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。

何如高效开采“动力金矿”？热电转化时间是极具后劲的灵验旅途。陈立东院士团队在热电材料上赢得的一系列打破，正让这条旅途变得越来越了了、可行。

热电转化要道在材料

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一刹动弹，用乙醇灯烧这个铋的块体，动弹则更明显。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。

“旨趣看似浅易，但将施行室欢欣滚动为牢固、高效、可范围化应用的工程时间有很大挑战。”陈立东先容，“主要瓶颈在于材料。一个理念念的热电材料，需要饰演一个‘矛盾变装’：它必须像铜同样善于传导电子（高电导率），同期又得像泡沫玻璃同样抵御热量的平直传递（低热导率），况兼还能产生大的电压（温差电势）。只好这么，材料两头才气成立并保管充足的温差，从而抓续输出高功率。此外，它还必须在高温下保抓牢固，对环境友好且老本可控。”

大致竣工达到这些严苛要求的材料相配稀缺。一种被称为“方钴矿”的自然矿物受到关爱，它的晶体结构相配非常，银河游戏在线娱乐中国官网由钴、砷等元素组成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构，框架中间造成了一个个摆设规则的孔洞，就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为咱们大开了广袤的性能调控空间。”陈立东先容。

上世纪90年代，外洋科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。结束令东说念主奋发：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）造成了极其锐利的散射。

“这特等于在材料里面构建了高效的‘声子散射汇聚’。”陈立东说，“原本的热量在晶格中传递，好比汽车在空旷的高速公路上驰骋。咫尺，咱们填入的原子就像宽绰个速即出现、剧烈振动的‘延缓带’和‘路障’，极地面抑遏了‘热流车辆’的速率，从而大幅缩短了材料的晶格热导率。同期材料的电学传输通说念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推敲大开了一扇新大门，并速即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推敲。陈立东参预中国科学院上海硅酸盐推敲所，用功于于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

“追踪前沿诚然巨大，更要知其是以然，PC加拿大网站并终了杰出。”陈立东至极团队不仅用功于于开发新材料配方，更深刻探究其背后的物理机制。2005年，陈立东与互助团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动模式至极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），探索的措施约束加速。“就像在微不雅全国里进行‘烹调’施行。”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现象，从而终了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、不同质料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，团队告成研制出多种元素原子共填充的方钴矿材料，其热电优值（推测热电性能的中枢意见）达到了那时同类材料的国际率先水平，标记着我国在该材料体系的推敲踏进全国前线。

转化成果擢升，走向广袤应用

领有高性能的块体材料，仅仅第一步。何如将这些脆性的陶瓷类材料片与金属电极更好地开通起来，拼装成能承受高温、大温差、振动等严苛检会的坚固热电发电模块？

陈立东说：“热电材料与金属电极的热扩展总共每每互异很大。在反复的升降温轮回中，一个‘胀’得多，一个‘胀’得少，界面处会产生巨大的热应力，最终导致开通处开裂、零碎，器件失效。这好比用水泥和木头牢牢黏合，太阳一晒，木头扩展小，水泥扩展大，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”时间，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。“这个流程就像‘闪电焊合’，在原子圭臬上让两者细巧勾通。”陈立东说。

而后，团队开展了一系列系统性、工程化推敲。比如“在陡壁筑缓坡”——通过想象多层的梯度电极，缓冲材料与终局电极之间的热扩展失配，让热应力随性过渡。同期开展永恒可靠性考证与批量化制备工艺探索，为明天工程应用铺路。

20多年来，团队将热电器件的转化成果从不到6%擢升到了接近15%。

接近15%的转化成果意味着什么？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。淌若诈欺咱们的模块回收这部分废热发电，表面上不错满足车辆部分扶持电器的用电需求，或为电板充电，带来可不雅的节能收益和碳减排量。”

咫尺，填充方钴矿等系列新式热电材料正从施行室走向更广袤的应用寰宇。陈立东面目了热电时间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”……

“咫尺加拿大PC，材料老本、系统集成成果、永恒运行调节老本，王人是产业化说念路上需要抓续优化的课题。”陈立东以为，借助东说念主工智能，明天推敲标的将愈增加元，应用场景也将愈加丰富。