當化石燃料消耗用盡，我們靠什么維持光明？生活中廢棄的熱能我們如何化廢為寶？明天的世界會由誰改變？ 

　　答案就是，熱電材料。 

　　什么是熱電材料？ 

　　熱電材料，通俗來說是一種能將熱能和電能相互轉換的功能材料，能對自然界和日常生活中廣泛存在但無法加以利用的熱源（汽車尾氣、工業廢熱、地熱等）進行轉換，供給人類日常生活及工業生產所需的電能。熱電器件在工作中具有很多優點，比如體積小、重量輕、高效、安全環保、使用壽命長、工作無噪音、免維護等，其獨特的制冷和發電功能已廣泛應用于軍事、醫療、工業、民用產品、實驗室、光電、通信等領域。 

　　  

　　熱電材料的三個效應 

　　1、賽貝克效應：將二種不同金屬各自的二端分別連接，并放在不同的溫度下，就會在這樣的線路內發生電流。 

　　2、珀耳帖效應：兩種不同金屬構成閉合回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間產生將溫差。 

　　3、湯姆遜效應：氣體會在等焓的環境下自由膨脹，而使溫度上升或者下降。 


（圖片來自：https：//www.zhihu.com/question/24012596/answer/38862029） 

　　  

　　熱電材料的前景 

　　因為可以實現熱能與電能的直接轉換，所以這種材料在廢熱回收、空調和制冷等工業上有著廣闊的前景。而其中的單晶硒化錫（SnSe）由于其高熱電優值（ZT，在773k下可達2.8），成為了新一代熱電材料中最秀的一位。 

　　可能是因為太秀了閃到了腰，單晶硒化錫的機械性能較差，同時它苛刻的晶體生長條件也限制了它在實際中的應用。 

　　因此，向我們迎面走來的是多晶硒化錫。他們邁著整齊的步伐，帶著摻雜元素，成為了研究的重點。 

　　在前文中，大家已經對塞貝克效應有所了解。能帶工程能夠實現對載流子濃度和塞貝克系數的有效調控，而異質元素摻雜是實現能帶工程的主要方法之一。 

　　南昆士蘭大學的陳志剛副教授以及昆士蘭大學鄒進教授研究團隊首次通過溶劑熱發得到了具有較高功率因子和較低熱導率的銅元素重摻雜的p型硒化錫微米級帶狀晶體。銅的摻雜既可以造成晶格畸變，又可以提高價帶態密度形成更多空穴。一舉多得，可以說是“肥腸”劃算。 

　　而另一個充滿科技感的材料——石墨烯，想必大家也不陌生。然而，它的半金屬性質使得它的熱電轉換率并不理想。雖說各種納米結構設計可以環節這個問題，但不具備理性的大規模生產技術使其依然很有挑戰性。 

　　  

　　熱電材料究竟有什么用 

　　不知道各位會不會困惑，這樣的新型材料，究竟有什么用。又或者說，用在何處。我們都明白，根據能量守恒定律，能量是不會憑空產生的，比如說你抖腿的能量就是通過把電音歌曲輸入耳朵里獲得的。當然上面那個是不對的，筆者在這里只是這個意思而已。 

　　那么，對于熱電材料，最重要的是溫差！這便是熱能轉換成電的充分條件。溫差究竟存在于何處？你給泡面接熱水時開水濺到手上的痛感，你冬天里呼出的白氣，你一出門小風一吹身上起的雞皮疙瘩都是溫差存在的極好證明。當然，這不是絕佳的溫差存在的證明，因為這些溫差是不可利用的溫差。 

　　你注意到冬天有暖氣時從外面進入室內眼鏡片上的霧了嗎；這個溫差大小視地域而變化，諸如在東北和內蒙古可以達到幾十度的溫差，而在沒有暖氣的南方則是幾度的溫差，而且還是室內沒陽光更冷造成的。不利用室內外溫差都對不起北方同胞脫掉的羽絨服和南方同胞裹上的厚棉被。 

　　所以我們熱電材料就是運用了溫差，輕而易舉、輕輕松松、眼都不眨一下的把溫差產生的勢能轉化為電能，在夏天即降低了室內的溫度，又讓你家的電費全免了。 

　　換句話說，減少了電能的消耗也就等同于減少了化石燃料的消耗，最終起到了保護環境的效果。所以我叫他環保使者，你敢說不么？哈哈。 

　　  

　　可調節體溫的熱電材料手環 

　　我們已經聽說過各種各樣佩戴于手腕的新智能設備，像智能手表和健身手環。但是你聽說過用熱電材料制作的手環么？可MIT就是有這么一項產品，讓你瞬間清爽，它就是Wristify，一款新的手腕佩戴設備，能夠調節你的體溫。 

智能手環的效果圖（圖片來源：百度圖片） 

　　該項目的主要創始人，畢業于MIT材料科學與工程學院的David Cohen-Tanugi介紹，無論什么時候，你感到太熱、太冷、壓力巨大或其他類似感覺的時候，只要戴上它，你就可以控制自己皮膚的感覺，使自己感覺更好。表式可穿戴調溫手鐲的原型產品是手動控制的，以適應用戶的不同調溫需求。據Cohen-Tanugi說：“研發團隊正在添加智能模塊，以便未來的產品能夠實現自動調溫。公司正在為9月底舉行的新產品預訂發布會做最后的準備。” 

　　研發者們為該調溫手鐲選擇了合適的熱電材料，并開發了獨有的控制算法來最大化用戶的冷熱感受。 

　　該熱電手鐲可以幫助人們在烈日下工作、在夏天開展其他戶外活動或者進入擁擠的地鐵。它還有助于全球旅行者快速適應不同氣候帶的環境。但Cohen-Tanugi說團隊的終極使命是通過個人調溫來減少建筑物的能源消耗。 

　　據加州大學伯克利哈斯商學院的研究人員稱，預計截至本世紀末，裝有空調的房屋數量將從當前的13%上升到70%以上，而它會使能源的消耗量一飛沖天。個人冷卻系統如開發中的Wristify將有助于將空調的設定溫度控制在更節能的范圍。 

　　目前建筑物現在正在耗費令人難以置信的能量用于空間的加熱或冷卻，而僅僅使制冷溫度調高1oC就可以節能7-15個百分點。正是基于這個認識，EMBR實驗室才于2013年開始了該項目。Cohen-Tanugi說：“我們希望，個體在增加自己膚感溫度舒適度而感覺更好的同時也能幫助地球節約能源。” 

　　  

　　不知在看的你有沒有對熱電材料有著強烈的興趣呢？ 

　　  

　　（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）

當化石燃料耗盡，我們如何發電？

圖文簡介

摘要：當化石燃料消耗用盡，我們靠什么維持光明？生活中廢棄的熱能我們如何化廢為寶？明天的世界會由誰改變？答案就是，熱電材料。