纳米技术在能源方面的应用

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1、纳米材料在能源方面的应用现今的能源问题已经迫在眉睫，各国也在开发新能源，力求解决能源危机。为此，纳米技术也被众多学者研究作为解决能源危机的途径，如利用纳米材料可使在太阳能方面的利用率可以达到40%，然而普通材料只有20%；纳米材料在内燃机中的应用，纳米材料能提高内燃机中的燃油利用率，等等很多方面都有应用，本文着重介绍纳米技术在热电材料方面的应用。热电材料进入21世纪以来，随着全球工业化的发展，人类对能源的需求不断增长，在近百年中，工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源，常规能源已面临枯竭6全球已探明的石油储量只能用到

2、2020年，天然气只能延续到2040年左右，煤炭资源也只能维持2300年左右6且这两种化石燃料，在使用时排放大量的CO2、SO2等有害物质，严重污染了大气环境、导致温室效应和酸雨。引起全球气候变化，直接影响人类的身体健康和生活质量，严重污染水土资源。因此，开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视【1】。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。如随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能

3、够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(<5%)仍远比传统冰箱或发电机小。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。材料的热电效率可定义热电优值(Thermoelectricfigureofmerit)ZT来评估:ZT=S2Tσ/K，其中，S为热电势(thermoelectricpowerorSeebeck

4、coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率，κ为热传导系数。为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的热电势(S)，高的电导率与低的热传导系数。热电材料近年发展图1【2】汇总了自20世纪50年代后出现的几种典型热电材料的性能及其随年代的进展.20世纪90年代以前,热电材料的研究主要基于Ioffe等[1]提出的窄带半导体热电理论,集中在Bi2Te3、PbTe、Si-Ge合金等材料体系上,主要通过掺杂、合金化、微米尺度的复合等手段优化其热电性能,但是,这些传统热电材料的性能在过去几十年中提高缓慢,其ZT值一直在1.0下方徘徊.90年代后期,美国科学家Sla

5、ck【3】等提出了一种理想化的理论模型“Phonon-GlassandElectronic-Crystal”(声子玻璃电子晶体,简称PGEC),即理想的热电材料应该是材料的电学性能如同晶体而热学性能如同玻璃.在该模型的启发下,人们相继发现了诸如填充方钴矿、Clathrate等具有笼状结构的新型热电材料,这些笼状化合物具有典型的PGEC特征,已成为目前热电材料研究领域的热点方向.通过微结构的调控和复合手段优化热电性能也是热电材料领域长期以来一直倍受关注的研究方向,但是,80至90年代的大部分研究结果表明在微米层次上的复合很难实现对材料电、热输运性能的协同调控.

6、90年代末,美国科学家Dresselhaus等提出了通过低维与纳米化提高热电性能的概念,近十多年来,通过在纳米尺度上的结构调控改善传统材料热电性能的研究成为热电材料领域又一主流方向,先后出现了纳米线或超晶格纳米线、超晶格薄膜、纳米晶材料和纳米复合材料等多种具有不同于传统材料微结构特征的新型热电材料,其热电性能获得明显提升.近十年来,ZT值记录突破了一度曾被人们怀疑是热电性能极限值的1.0的大关,许多低维材料报道的ZT值超过了2.0。低微纳米结构热电材料90年代初期,Hicks和Dresselhaus等提出了引入“量子阱”(quantum-well)等特殊结构

7、提高材料热电性能的思路,其目标是通过材料尺寸优化实现费米能级附近电子态密度的提高与调控,从而实现Seebeck系数的提升；同时,由于纳米尺度的微结构缺陷的引入,声子传输散射作用增强,有利于降低晶格热导率.基于这一思路,在一些超晶格纳米线、超晶格薄膜材料中部分地实现了Seebeck系数和电导率的独立调控.进一步研究表明,通过控制纳米相的尺寸和分布,可实现对电子和声子的选择性散射,并且结合界面结构设计,利用界面能量势垒过滤低能量电子(界面能量过滤效应),从而实现Seebeck系数和功率因子(PF=S2σ)【4】的进一步提升.对于纳米线热电材料,理论预测和实验都证

8、明了其热导率随着线直径的减小而快速降低,同时,粗糙线