浦項科技大學研發(fā)突破性熱電材料，3D打印技術打造高效沙漏形狀

南極熊獲悉浦項科技大學 (POSTECH)研究人員與喬治華盛頓大學合作，利用3D打印技術成功開發(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。熱電材料是一種關鍵的技術，能夠將廢熱轉換成電能，對于可持續(xù)能源的應用具有重要意義。此項研究得到了韓國科學技術信息通信部和國家研究基金會中期職業(yè)研究員計劃及納米與材料技術發(fā)展計劃的支持，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。



韓國國家研究基金會理事長李光福宣布，由浦項科技大學教授Jae Sung Son和喬治華盛頓大學Saniya LeBlanc領導的聯(lián)合研究團隊通過幾何設計和3D打印技術，成功地改變了熱電材料的傳統(tǒng)形狀，實現(xiàn)了效率上的重大突破。

熱電技術是一種能夠將熱能直接轉換為電能的技術，因其可持續(xù)性和可再生性受到廣泛關注。熱電材料，特別是固體熱電半導體材料，是該技術的核心。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)電機的實際應用效率并未達到預期水平，需要探索新的途徑來提升效率。

浦項科技大學和喬治華盛頓大學的研究團隊利用3D打印技術，通過設計和優(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)電機的效率。其中，沙漏形狀在所有測試條件下表現(xiàn)出最優(yōu)的性能。


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

研究成果
研究團隊通過模擬不同幾何結構并測量它們的發(fā)電效率，發(fā)現(xiàn)沙漏形狀在所有測試條件下都優(yōu)于其他形狀。利用先進的3D打印技術，團隊在材料內(nèi)部制造了高密度的微層缺陷，有效降低了熱導率，使得熱電性能指數(shù)（ZT）達到了2.0，這是迄今為止3D打印熱電材料所能達到的最高值。根據(jù)實驗結果，使用沙漏形狀的熱電發(fā)電機的效率大約是傳統(tǒng)矩形發(fā)電機的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，而非僅僅關注微觀結構，可以顯著提高熱電材料的效率。這種方法預計可以廣泛應用于所有類型的熱電材料，甚至可用于熱電冷卻技術�！�