最近，北京航空航天大学赵立东教授课题组在热电材料领域又搞出了大动静，研究成果直接登上了顶级期刊《Science》，不少业内人都在讨论这次的新突破。
可能很多人听到热电材料就觉得一头雾水，其实这东西离我们的生活一点都不远。简单说，热电材料就是能实现热能和电能互相转换的一种功能材料。比如工业生产、汽车发动机跑起来之后，会产生大量没用的废热，热电材料就能把这些白白浪费的热量转成电能用起来。反过来，给热电材料通电，它还能实现制冷，现在不少小型制冷设备、太空探测器里面，都能看到热电材料的影子。
不过这么多年来，热电材料一直没办法大规模推广，核心问题就是性能上不去，成本还高。衡量热电材料性能好不好，有个关键的指标叫热电优值，这个数值越高，转换效率就越高，实用性也就越强。之前行业里公认的高性能热电材料，很多都用到了稀缺的重金属元素，不仅价格贵，还有毒性，没法大规模用在日常场景里。
赵立东教授课题组这次解决的，就是一直卡着行业发展的核心难题。他们这次研究的，是一直很被看好的硒化锡热电材料，之前这种材料虽然本身热电性能不错，但它的多晶块体材料，因为晶界散射的问题，室温附近的功率因子一直上不去，整体性能始终卡在瓶颈里。
这次课题组想到了一个新的思路，他们没有换材料本身，而是从微观结构的调控入手，通过调控非化学计量比引入了更多的锡空位，还精准调整了晶界处的电子态。说直白点，就是在材料里面，给电子铺了一条更顺畅的“高速路”，让电子运动的时候少受阻碍，同时还留住了声子，减少了热量的散失。
很多人可能听不懂这些专业描述，我们换个说法，这次的调整相当于，既保留了硒化锡本身低热导率的优点，又大大提升了它的电输运性能，两边的性能同时往上提，最终得到的热电优值，比之前的常规材料提升了一大截，而且这个性能提升是覆盖了从室温到中温区的宽温度范围，不是只在某个特定温度下才好用。
更重要的一点，这次的硒化锡材料本身就不含稀缺昂贵的重金属元素，原料成本比传统的高性能热电材料低很多，毒性也更低，更适合大规模生产应用。之前很多高性能热电材料，性能虽然好，但一吨原料就要几十万，普通企业根本用不起，也没法推广到民用领域，这次的突破也给低成本热电材料的发展指明了新方向。
我们说说这个成果的实际意义，现在全国都在推双碳目标，各行各业都在想办法节能提效，工业领域每年浪费的废热总量其实非常大，据不完全统计，我国工业消耗的能源里，有超过一半最终都以废热的形式散失掉了，如果能用上性能好成本低的热电材料，把这些废热转成电能，一年就能节省出相当可观的发电量，这对实现双碳目标来说，确实是实打实的技术贡献。
除了废热发电，热电制冷的应用场景也很多，现在很多精准控温的电子设备，比如5G基站的芯片散热、便携式医疗设备，还有一些特种光电探测仪器，都需要无振动的制冷方案，热电制冷正好符合这个需求，之前受限于性能和成本，没法大范围用，这次性能提上去成本降下来，未来这些领域的应用也会更广。
北京航空航天大学在热电材料领域已经深耕很多年了，赵立东教授课题组之前也出过不少重量级的成果，这次能登上《Science》，其实也是长期积累的结果。这次研究不是只停留在实验室的理论突破，他们已经验证了新材料的可制备性，接下来只要逐步优化生产工艺，离实际应用其实并不远。
当然，从实验室成果到大规模产业化，肯定还要走一段路，比如怎么批量生产出性能均匀的大块材料，怎么进一步优化材料的稳定性，这些都是接下来要解决的问题。但不可否认，这次的突破确实给热电材料领域打开了一扇新的大门，让我们看到了低成本高性能热电材料的可能性，说不定再过几年，我们就能在很多民用产品里看到基于这项技术的应用了。
对于整个学术界来说，这次的研究也给其他热电材料的性能优化提供了新的思路，原来不用一味换昂贵的原材料，通过微观结构的精准调控，就能把现有材料的性能挖到极致，这种思路也会给后续的研究带来不少启发。

北京航空航天大学,赵立东教授,赵立东课题组,《Science》,热电材料,热电材料研究,热电优值,硒化锡热电材料,废热发电,热电转换

[Q]：这次北航赵立东教授课题组登上《Science》的成果是什么领域的？
[A]：这次成果属于热电材料研究领域，是热电材料性能优化方面的重大突破。
[Q]：热电材料到底能用来做什么？
[A]：热电材料可以实现热能和电能的相互转换，一方面能把工业废热转化为电能回收利用，另一方面通电后可以实现无振动制冷，可用于电子设备散热、特种制冷设备等场景。
[Q]：之前热电材料为什么没法大规模推广？
[A]：传统高性能热电材料大多依赖稀缺的重金属元素，成本高还有毒性，而且很多材料的性能瓶颈明显，转换效率达不到大规模应用的要求。
[Q]：赵立东教授课题组这次研究的是哪种热电材料？
[A]：这次研究的是硒化锡热电材料，这类材料本身有不错的本征热电优势，只是之前存在性能瓶颈没有突破。
[Q]：这次成果解决了什么核心问题？
[A]：这次通过调控硒化锡的微观结构，同时提升了材料的电输运性能和低热导率优势，大幅提高了宽温度范围内的热电优值，突破了之前硒化锡多晶材料的性能瓶颈。
[Q]：这次的新材料和传统热电材料相比有什么优势？
[A]：这种新材料不依赖稀缺有毒的重金属元素，原料成本更低，毒性更小，而且性能覆盖更宽的温度范围，更适合大规模生产应用。
[Q]：这个成果对实现双碳目标有什么帮助？
[A]：我国工业领域有超过一半的能源最终以废热形式散失，这种高性能低成本热电材料可以大规模回收工业废热转化为电能，能有效提升能源利用效率，助力双碳目标实现。
[Q]：这项成果现在能直接用在产品里了吗？
[A]：目前这项成果已经完成实验室验证，离大规模产业化应用还需要解决批量生产、稳定性优化等问题，但已经为行业指明了发展方向，距离实际应用不远了。