玻璃和钢铁制造商在高温下会产生大量浪费的热能，但固态热电设备既不能在足够高的温度下工作，又成本太高，因此它们的使用仅限于特殊应用，如航天器。麻省理工学院的研究人员开发了一种液态热电装置，该装置使用锡和硫的熔融化合物，可以有效地将废热转化为电能，为在高温下将废热转化为动力开辟了一条经济可行的道路。
尤阳赵于冶金·安托内艾拉诺·阿拉曼尔的研究组助理教授，建造了一个在一个热电试验单元液体状态在950到1074摄氏度(1742到1965华氏度)的温度下。商业热电装置，基于诸如固态铋的材料，在约500℃下操作，并且在每立方米的硫化锡的邻域内的碲化物成本的一块抗碲化物成本。
一旦熔化，硫化锡在其熔点882℃以上200度的宽温度范围内提供恒定的热电输出，赵说，他是一篇ECS固体科学与技术杂志论文的第一作者，“高温热电用熔融半导体”，与Allanore和最近毕业的Charles Cooper Rinzler博士17。赵发现，当他在几个小时内将设备从1074摄氏度循环到950摄氏度时，性能并没有明显下降。
“对我来说，我首先将样品加热到熔点，然后将温度扫描到200℃以上熔化，然后在加热期间进行多次测量的同时扫描并扫除。我们发现的是财产相当一致，“赵说。
大型工业运营的材料
Zhao的热电装置在与工业应用相关的条件下运行，而他使用的材料硫化物，硫化物，从成本的角度吸引，Allanore说。当在其热和凉爽的侧面之间存在温差时，热电装置通过将产生电压的材料夹在一起。反向，它们可以用作使电流变成温度下降的冷却装置。例如，这些装置用于豪华车型中的热和冷却座椅，并在长途旅行中加热船上的船上电子设备（使用核能源以及可以在比商业设备的较高温度下运行的特殊设备）。
Allanore建议，从废热收益率的产生从废热收益率的电力产生的环境效益不太可能是玻璃和钢制造商采用这项技术的主要刺激。这些操作必须在1,000℃或更高的温度下运行其VATS或窑炉，以使其产品，它们的利润从那些产品中取消。但达到这种高温是一次性成本。如果该热量的热电管理允许生产者能够更热，这可以提高生产率，或者延长其设备的寿命，那么Allanore说，它们将更有可能适应它。“我们已经知道，在稳定状态下，我们在该位置有1000摄氏度，”他说。并且这足以在液体热电装置中熔化半导体材料。
“一开始我们思考我们如何在大规模上实施高温冶金炉，可以恢复废热的材料。这是我们的第一个想法。但是，这是第二个愿景就是说，我能用那种电器怎么办？因为你不会部署它来制作电力，所以你要部署，因为你对你的生产有真正的好处，“Allanore解释道。由于熔融化合物等电活性材料，能够在非常高的温度下管理热量是现在是一种益处。
这些发现可能会对金属生产商产生重大影响，这些生产商每年已经处理了数十万吨处于熔融状态的硫化铜、硫化铁和类似材料，但目前没有利用这些材料的半导体特性。“我们知道如何大规模地处理这些事情，”Allanore说。
2013年，Allanore和John F. Elliott材料化学教授Donald R. Sadoway开发了一种廉价的铬和铁合金，用于通过熔融氧化物电解生产钢铁的阳极。这个过程会产生高纯度的金属，释放的是氧气而不是二氧化碳，而二氧化碳是造成温室气体效应的主要因素。麻省理工学院(MIT)的一家衍生公司波士顿电冶公司(Boston Electrometallurgical Corp.)就是从这项工作中发展起来的，该公司展示了每天可生产数百磅熔融金属的规模。
配对理论与实验
类似地，热电设备的新工作高温提供Allanore Lab Contreague Rinzler的实验证实，用于在其热，液态状态下为金属化合物中的半导体行为进行理论依据。Rinzler的工作列出了用于量化能量轮廓（热力学），化学结构（原子的构造）的预测框架，以及某些液体半导体化合物的电子行为，例如硫化锡或硫化铜。
“这不是一个简单的问题，你可以在什么温度范围下操作?关键是你在实际操作条件下能够实现什么，这与手头的应用程序以及材料和设备的成本点有关，”Rinzler说。
“像这样的东西的美丽是我们可以捕获的两者，我们可以改进浪费热量我们可能会从节能的角度关心的集合，但鼓励行业使用它，因为它实际上在他们直接关心的背景下有益于他们，“Rinzler说。
Allanore解释说，如果以每瓦特美元的价格来衡量，熔融硫化锡设备对于在高温下工作的工业来说可能非常重要。他说:“当你有很大的表面积时，每瓦的价格取决于材料的成本。”该系统的其他优点包括处理锡和硫的简单性，与碲和铊或铅和硫等化合物相比，半导体混合物的电导率相对较高，毒性相对较低。
赵在一年内从概念到工作设备，对科学研究的显着进展，allanore笔记。“首先，这是youyang，谁是非常好的，第二个是液态......这使得这种类型的快速演示成为可能，”他说。赵于2013年从佐治亚理工学院赢得了他的材料科学与工程。
自我修复系统
“液体状态非常宽容固态的宽度变化。如果您考虑通过如此温度的固态材料，您始终具有热膨胀，机械问题，腐蚀，“Allanore说。这些现象可防止许多固体材料在这种情况下可逆地，随着温度上下，性能保持不变。“这是液态的特征之一。我们称之为自我修复，“他解释道。“只要你没有改变化学成分的宏观，你就可以获得相同的材料。从工程角度和采用大规模应用程序，这是一个非常重要的功能。“
“我觉得人们害怕，从某种意义上说，因为炎热和熔化似乎是危险的，但一旦你融化并且知道你在做什么，它就非常宽容，”Allanore说。
在他们的实验装置中，研究人员采用了同心圆柱体设计，类似于已故的罗伯特·k·威廉姆斯(Robert K. Williams)在1968年研究熔融硫化银的导热性时所使用的设计。威廉姆斯是田纳西州橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的长期金属和陶瓷部门研究员。“他们证明对流在液体中是一个非常重要的因素，”赵说。“对我们来说，我们正在设计一种设备。我们讨论的不仅仅是材料的性质。我们必须考虑细胞的几何形状和设计。当你将一种新型材料放入设备时，其整体性能可能与材料本身不同。因此，这意味着可能受对流影响，整个液体特性决定了该设备的性能。”
研究人员通过确定它们的“优点形态”来比较不同的热电材料，这是一种测量各种材料在热电转换时的有效性。对于很多潜在的有用的化合物温度，Allanore表示，从未调查过的热电值，因此新设备还提供了一个实验框架来评估这一点。
对流的作用
由于自然对流的影响以及设备本身的干扰，器件的热电数字的优点略有不同于它使用的热电材料。在论文中，赵说，“我们报道了设备的优点，不一定是材料，因为我们相信有贡献，或者存在性能下降，来自自然对流。从那意义上讲，如果我们能够最大限度地减少自然对流，那么这个值得的数字设备可以上升。“
“这是我们研究的下一步，”赵说。“目前，我试图研究自然对流对[该塞贝克系数的影响是什么[塞贝克系数[衡量电力转换到电力的力量]或导电性或导热率。”
麻省理工学院的研究人员已经为他们工作的某些方面提交了临时专利申请。
“Allanore的作品对于使用液体形式的固体半导体的液体形式是独一无二的，以将热量转换为电力，”加州大学迈克尔Chabinyc说，加州圣巴巴拉教授和掌握材料椅子，他们没有参与这项研究。“先前已经研究过液体半导体的性质，但他的工作将这一基本知识转化为实际应用。这项工作的一个重要方面是使用地面丰富的材料，该材料提供潜在的途径，以经济的方式恢复浪费的能量。“
Allanore希望这项工作将扩大对熔融化合物的理解。他说，与原子相对固定的固体材料不同，他说，液体中的原子在数微米的尺度上变化为几毫米。例如，人们可能认为冷冻冰块中的水分子之间的差异，而在沸水中相同的分子。“在熔融材料中，您具有恒定的运动，并且它是一种复杂性，即它不存在于固态状态，并且未被现有模型描述材料艾拉奥尔说，科学我们在课堂上教。““我们很舒服，有一天我们会弥合这两个人，然后这将是一个完整的故事，不仅是关于电子结构和财产，而且我们称之为物理化学，这是粘度，密度，扩散性 - 所有这些现象这对液态至关重要。“
提交：工业自动化
