汽车尾气也能发电！科学家开发出新型可再生能源装置【阿基米德先进技术网】优质文章分享"

热能是一种很有潜力的清洁能源。据美国能源部对初级能源消耗的估算，55％以上的能源最终以废热的形式被释放到环境中。常见的废热源有工业余热、汽车尾气废热和城市固体垃圾焚烧所产生的废热等。然而，这些废热大多没有被二次利用。华盛顿州立大学的研究人员开发了一种将汽车尾气转化为可再生能源的装置，大大提升了热能转化效率。

一种新型的二极管可以将热量转换成电能，效率比硅晶产品高三倍，而且将来可以将热量转换成可储存的电池电量。

随着创新者寻求让我们的社会更节能的方法，一种可再生资源被证明比其他资源更难“再生”：热能。

所谓的“余热”是汽车、家电、小型电子设备产生热量。将多余的热量转化为可用电力已经是科学家多年来的热门话题，华盛顿州立大学的新研究可能代表着不断增长的热电领域的巨大飞跃。

华盛顿州立大学物理学家 Yi Gu 的团队开发了一种比常规方法效率高出三倍的将热量转换成电能的设备。这个创新名为范德瓦尔斯肖特基二极管，依靠独特的复合材料，将热量转换成强大的可存储电流。

二极管是专门用于在单一方向上传导电流的电子设备（类似于水中的水阀引导液体的流动）。每个二极管在其顶端部极化，因此电流从其正端（或阳极）向其前端（阴极）“向前”流动。

通过设计，该偏振结构阻止电流从相反方向行进。这就是为什么用“发光二极管”或LED制成的灯泡可以产生比普通白炽灯更多的光，这些白炽灯以较不有效的方式传播能量。

仅次于 LED，电子世界中最著名的二极管是通过将半导体材料（如硅）与金属（如铝或铜）接合而形成的肖特基二极管。这种二极管被称为“热载体”二极管，因为它可以类似于 LED 携带光的方式携带热量。

肖特基二极管具有低电压降。这使得它对诸如太阳能电池等设备是有用的，这种设备需要低压降二极管来防止能量损失。其他常见应用包括射频混频器和电源整流器。

但传统的肖特基二极管将热转换为电能有局限性：

WSU 的物理学家 Matthew McCluskey 说：“当你将金属连接到半导体材料（如硅）以形成肖特基二极管时，总是会在界面形成一些缺陷。“这些缺陷会陷入电子，阻碍电力流动”，这使得它们将热量转化为电力的效率不高。

WSU 的团队开发了新的二极管，旨在改善肖特基模型。研究人员通过减少对电力的阻碍，可以生产出将“大部分”热量转化为电能的二极管。

Yi Gu及其同事开发的范德瓦尔斯肖特基二极管不使用金属或硅；它们的二极管是由称为铟硒（InSe）的结晶化合物的多个微观层制成的“多成分”材料。

该团队使用简单的加热过程来修改 InSe 的这些层，使一层的像金属，另一层像半导体。

这意味着，范德华肖特基二极管不是将两种材料（金属和半导体）结合在一起以形成典型的肖特基二极管，而是使 InSe 表现为两种材料的属性。

在范德华肖特基二极管中，InSe 金属和半导体材料连接在一起的界面处不发生杂质或缺陷。没有这些缺陷，电力可以以近 100％的效率流过 WSU 团队的设备。

使用下图所示的共焦显微镜测量范德华肖特基二极管的导电效率。研究人员发现，他们的创新表现出“理想的二极管行为”（在正向电流流动方面）以及热电功率的增加，总计比传统的肖特基二极管高“三个数量级”。更高的数值代表了将热量转化为电力的能力，随后可以使范德华模型成为大量“回收”余热的标准载体。

然而，在此之前，科学必须使晶体 InSe 成为更容易获取材料：目前，它仍然太复杂（并且昂贵）。 Gu 和同事说，他们正在探索合成大量材料的方法，以便将其开发成可以使用的设备。如果成功，新的范德华氏肖特基二极管有可能提供另一种可再生能源。

未来，这种设备可以附着在汽车尾气，电脑主机和其他有达到室温的地方。然后，二极管将使用两个表面之间的热差来产生可以存储在电池中并在需要时使用的电流。

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