气候变化和能源余热呢？3354专访国立阳明交通大学材料科学与工程系吴新杰教授

本文转载自科技大观园，原文为《气候变迁、能源废热怎么办？——专访国立阳明交通大学材料科学与工程学系吴欣洁教授》作者/科技大观园特约编辑|徐俊勇，在科技飞速发展的时代，加上温室效应等因素，用电量逐年增加，“电”已经成为人类社会不可或缺的存在。然而，你知道吗？各种能源产生的电力有60%以废热的形式散发到大气中，而实际使用的只有40%左右。这些大量的废热也加剧了温室效应，其中工厂和车辆发动机是能源废热的大头。“气候变化”和“能源需求”两大议题逐渐环环相扣。孰重孰轻，能否在其中找到一个平衡点，成了科学家急需解决的难题。

工厂和发动机的废热会加剧温室效应。图//pixabay

小孩子才做选择，热电材料：我都要！

“我经常望着窗外想，如果我们能把这些热量收集起来用来发电，是不是可以同时解决余热和气候变化的问题？”吴新杰教授说。

吴心洁教授，现任国立阳明交通大学材料科学与工程系，是今年(2021年)台湾省第十四届杰出女科学家奖得主。近年来，她专注于绿色能源的开发和应用，从热力学到热电材料。事实上，吴教授在大学主修化学工程，后来转到研究材料领域。吴新杰教授说：“我当时想研究绿色能源，甚至有点狂野地想找出完全环保的材料来发电，因为我想为这个世界做一些有意义的事情。」

因此，吴新杰教授的实验室被称为“高性能热电材料与绿色能源实验室”。热电材料到底是什么？热电材料基本上以半导体材料为主，可以进行热和电的转换。目前，碲化铋和PbTe是两种最常用的热电材料。热电材料如何转换不同的能量形式？

00-1010首先热电材料如何发电就像吴教授的实验室网站第一行“哪里有-t，哪里就有电”。重点是——“温差”。我们将P型和N型半导体排列成一个回路，然后在两端施加不同的温度。半导体上的电子会跑到低温，不同浓度的电子会形成电位差，产生电流，就像瀑布会从高处流向低处一样。这就是所谓的塞贝克效应。比如空间探测器在核反应堆周围贴上热电元件，热电材料都是固体。

那么，如果把发电原理反过来，把电传给它，也可以让半导体电子跑到同一个终点。当电子流动时，也会带走热量，从而产生温差，达到制冷效果，这就是所谓的珀尔帖效应。这是日常用品中常见的。比如有些酒柜利用热电制冷原理，不需要压缩机，体积可以缩小很多。常用的材料体系是碲化铅(PbTe)和碲化铋(Bi2Te3)。

遇上温度差，DoReMeSo产生电流

那么，在我们明白了温差可以发电之后，我们会不会从此过上幸福的生活呢？当然不是。有句话说：“理想很丰满，现实却很骨感。」

然而热电材料面临的现实是，大家最关心的是“转换效率”，能够代表热电材料转换效率的数值被称为“ZT值”。如果ZT值大于1，则意味着转换效率可能大于10%。“如果我们想找到一种具有高ZT值的材料，我们需要它具有较差的导热性，但具有良好的导电性。目前多锁定在半导体材料。”吴新杰解释道。另外，根据塞贝克效应，材料两端会施加温差，预计未来可以大规模生产，所以一定是稳定的材料。而且希望热电材料能成为绿色能源，所以不能含有会污染环境的成分。总之，在cou之后

吴欣婕笑着说，“所以就像找伴侣一样，先确定你的第一个条件。我们是做绿色能源的，所以希望从环保材料入手。半导体材料通常是与其他微量元素混合的母体元素，例如常用的碲化铅(PbTe)中的铅Pb正在污染环境，因此寻找其他替代的无铅热电材料用于发电也是一个迫切的问题。

在删除了不符合初级条件的元素后，就要开始寻找合适的材料比例了。吴教授实验室采用的方法是“相图”，就像材料领域的谷歌地图。相图可以告诉我们这种物质的最佳组成比例是多少，哪个区间ZT值可能最高，哪个状态最稳定。但是做一个相图需要相当的时间和人力成本，但是相图数据库的积累对以后材料科学的发展有很大的帮助。因此，吴新杰也希望能与人工智能相结合，加速数据分析和物质体系的研究。

基本相图可以告诉我们物质在不同温度和压力下的状态变化。这张图是水的相图。本文中的相图将混合不同的材料。

合后的状态。图／wikipedia

用热发电行不行？热电材料的未来发展

吴欣洁也提及，热电材料的研究需要跨领域的专业，例如化工、物理、电机、製成等，台湾在 2019 年成立了台湾热电学会，希望能够推广热电相关学术研究在台湾的普及，提升基础研究与产业界的交流。

关于热电材料未来的发展，吴教授表示，未来若能将环境中大量的废热回收，就能大幅度减缓温室效应及能源耗竭的问题。在民生用途上，或许能够在穿戴式装置安装热电元件，利用人体体温及环境的温差来发电。

此外，吴教授说，台湾在热电材料领域有一定的优势，例如环境上我们有地热温泉，而她也认为台湾的学生相当聪明且基础训练佳，适合进行前端研究。在「找材料比找伴侣还难」的热电材料领域进行研究，或许会遇到很多瓶颈，但吴教授却说：「做研究的每天都有挫折，每天都有不尽人意的事情，但我觉得重点是从甚么角度看待，保持乐观、弹性的态度，就会觉得每一天都有新的发现。」

资料来源

• 固态热电材料在废热回收领域之应用
• 热电材料相图研究与应用
• 热电于再生能源之运用
• TMS年轻领袖奖得主　吴欣洁研究用废热发电
• 吴欣洁实验室网站

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