浦项科技大学研发突破性热电材料,3D打印技术打造高效沙漏形状

浦项科技大学 (POSTECH)研究人员与乔治华盛顿大学合作，利用3D打印技术成功开发出一种全新的热电材料几何形状——沙漏形状，从而显著提升了热电材料的效率。热电材料是一种关键的技术，能够将废热转换成电能，对于可持续能源的应用具有重要意义。此项研究得到了韩国科学技术信息通信部和国家研究基金会中期职业研究员计划及纳米与材料技术发展计划的支持，已经于2024年7月表于Nature Energy上，题目为Geometric design of Cu2Se-based thermoelectric materials for enhancing power generation。



韩国国家研究基金会理事长李光福宣布，由浦项科技大学教授Jae Sung Son和乔治华盛顿大学Saniya LeBlanc领导的联合研究团队通过几何设计和3D打印技术，成功地改变了热电材料的传统形状，实现了效率上的重大突破。

热电技术是一种能够将热能直接转换为电能的技术，因其可持续性和可再生性受到广泛关注。热电材料，特别是固体热电半导体材料，是该技术的核心。以往的研究主要集中在提高材料本身的热电性能指数(ZT)，但由于热电发电机的实际应用效率并未达到预期水平，需要探索新的途径来提升效率。

浦项科技大学和乔治华盛顿大学的研究团队利用3D打印技术，通过设计和优化八种不同几何形状的热电材料，成功地提高了热电发电机的效率。其中，沙漏形状在所有测试条件下表现出最优的性能。


△通过几何设计和在 3D 打印材料中引入微层缺陷来提高热电发电机效率的示意图

研究成果
研究团队通过模拟不同几何结构并测量它们的发电效率，发现沙漏形状在所有测试条件下都优于其他形状。利用先进的3D打印技术，团队在材料内部制造了高密度的微层缺陷，有效降低了热导率，使得热电性能指数（ZT）达到了2.0，这是迄今为止3D打印热电材料所能达到的最高值。根据实验结果，使用沙漏形状的热电发电机的效率大约是传统矩形发电机的3.6倍。



Jae Sung Son教授表示：“我们的研究表明，通过控制材料的三维几何形状来影响热和电的传输，而非仅仅关注微观结构，可以显著提高热电材料的效率。这种方法预计可以广泛应用于所有类型的热电材料，甚至可用于热电冷却技术。”

来源：南极熊