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能量转换:加快材料发现

2019-04-30 16:44:45来源:

即使是最省油的汽车,大约60%的汽油总能量也会因排气管和散热器中的热量而损失。为了解决这个问题,研究人员正在开发新的热电材料,可以将热量转化为电能。这些半导体材料可以将电力再循环回车辆,并将燃料效率提高多达5%。

挑战在于,用于废热回收的当前热电材料非常昂贵且开发耗时。最先进的材料之一,由铪和锆(核反应堆中最常用的元素)组合而成,从最初的发现到优化的性能花了15年的时间。

现在,来自哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员已经开发出一种算法,可以在几个月内发现并优化这些材料,依赖于求解量子力学方程,而无需任何实验输入。

“这些热电系统非常复杂,”最近任命的SEAS计算材料科学副教授,该论文的高级作者Boris Kozinsky说。“半导体材料需要具有非常特殊的性能才能在该系统中工作,包括高导电性,高热电势和低导热性,以便将所有热量转化为电能。我们的目标是找到满足所有要求的新材料。热电转换的重要特性,同时又稳定又便宜。“

Kozinsky与马萨诸塞州剑桥罗伯特博世研究与技术中心的研究工程师Georgy Samsonidze共同撰写了这项研究,两位作者都进行了大部分研究。

为了找到这样的材料,该团队开发了一种算法,该算法可以仅基于晶体中使用的化学元素来预测材料的电子传输特性。关键是简化电子 - 声子散射的计算方法,并与现有算法相比将其加速约10,000倍。

新方法和计算筛选结果发表在Advanced Energy Materials上。

研究人员使用改进的算法筛选出许多可能的晶体结构,包括以前从未合成过的结构。从那些人那里,Kozinsky和Samsonidze将这份名单缩减为几个有趣的候选人。在这些候选人中,研究人员进行了进一步的计算优化,并将最佳表现者送到了实验团队。

在早期的努力中,实验主义者合成了这些计算所提出的最佳候选者,并发现了一种与以前的热电材料一样高效且稳定但比便宜10倍的材料。从初次筛选到工作装置的总时间:15个月。

Kozinsky说:“我们在15个月的计算和实验中完成了以前材料优化需要15年的时间。” “真正令人兴奋的是,我们可能还没有完全理解简化的程度。我们有可能使这种方法更快,更便宜。”

Kozinsky说,他希望改进新的方法,并用它来探索更广泛的新奇特材料(如拓扑绝缘体)中的电子传输。