浦項(xiàng)科技大學(xué)研發(fā)突破性熱電材料，3D打印技術(shù)打造高效沙漏形狀

南極熊獲悉浦項(xiàng)科技大學(xué) (POSTECH)研究人員與喬治華盛頓大學(xué)合作，利用3D打印技術(shù)成功開發(fā)出一種全新的熱電材料幾何形狀——沙漏形狀，從而顯著提升了熱電材料的效率。熱電材料是一種關(guān)鍵的技術(shù)，能夠?qū)U熱轉(zhuǎn)換成電能，對(duì)于可持續(xù)能源的應(yīng)用具有重要意義。此項(xiàng)研究得到了韓國(guó)科學(xué)技術(shù)信息通信部和國(guó)家研究基金會(huì)中期職業(yè)研究員計(jì)劃及納米與材料技術(shù)發(fā)展計(jì)劃的支持，已經(jīng)于2024年7月表于Nature Energy上，題目為Geometric design of Cu2Se-based thermoelectric materials for enhancing power generation。



韓國(guó)國(guó)家研究基金會(huì)理事長(zhǎng)李光福宣布，由浦項(xiàng)科技大學(xué)教授Jae Sung Son和喬治華盛頓大學(xué)Saniya LeBlanc領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過幾何設(shè)計(jì)和3D打印技術(shù)，成功地改變了熱電材料的傳統(tǒng)形狀，實(shí)現(xiàn)了效率上的重大突破。

熱電技術(shù)是一種能夠?qū)崮苤苯愚D(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，因其可持續(xù)性和可再生性受到廣泛關(guān)注。熱電材料，特別是固體熱電半導(dǎo)體材料，是該技術(shù)的核心。以往的研究主要集中在提高材料本身的熱電性能指數(shù)(ZT)，但由于熱電發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用效率并未達(dá)到預(yù)期水平，需要探索新的途徑來提升效率。

浦項(xiàng)科技大學(xué)和喬治華盛頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用3D打印技術(shù)，通過設(shè)計(jì)和優(yōu)化八種不同幾何形狀的熱電材料，成功地提高了熱電發(fā)電機(jī)的效率。其中，沙漏形狀在所有測(cè)試條件下表現(xiàn)出最優(yōu)的性能。


△通過幾何設(shè)計(jì)和在 3D 打印材料中引入微層缺陷來提高熱電發(fā)電機(jī)效率的示意圖

研究成果
研究團(tuán)隊(duì)通過模擬不同幾何結(jié)構(gòu)并測(cè)量它們的發(fā)電效率，發(fā)現(xiàn)沙漏形狀在所有測(cè)試條件下都優(yōu)于其他形狀。利用先進(jìn)的3D打印技術(shù)，團(tuán)隊(duì)在材料內(nèi)部制造了高密度的微層缺陷，有效降低了熱導(dǎo)率，使得熱電性能指數(shù)（ZT）達(dá)到了2.0，這是迄今為止3D打印熱電材料所能達(dá)到的最高值。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，使用沙漏形狀的熱電發(fā)電機(jī)的效率大約是傳統(tǒng)矩形發(fā)電機(jī)的3.6倍。



Jae Sung Son教授表示：“我們的研究表明，通過控制材料的三維幾何形狀來影響熱和電的傳輸，而非僅僅關(guān)注微觀結(jié)構(gòu)，可以顯著提高熱電材料的效率。這種方法預(yù)計(jì)可以廣泛應(yīng)用于所有類型的熱電材料，甚至可用于熱電冷卻技術(shù)。”