“点热成电”,挖掘能源金矿(院士讲科普)

来源:人民日报2026-05-09 10:33

柔性热电器件应用于可穿戴电子设备示意图。

陈立东院士在做科普讲座。

方钴矿结构图。

以上图片均为中国科学院上海硅酸盐研究所提供

资料来源:中国科学院上海硅酸盐研究所

“十五五”规划纲要提出,深入实施能源安全新战略,加快构建清洁低碳安全高效的新型能源体系,建设能源强国。

热电技术能将消散的热量重新集结、化为电能,为绿色低碳生活提供有力支撑。本期“院士讲科普”,我们请中国科学院院士、热电材料专家陈立东讲述“点热成电”背后的科技魅力。

——编 者

在中国科学院上海硅酸盐研究所的一间实验室里,数块名片大小的灰黑色材料片,借助两端200多摄氏度的温差,持续输出电能。这些看起来不起眼的“灰片”,正是中国科学院院士、热电材料专家陈立东钻研20多年的热电材料,经过研究,这些材料被赋予了“点热成电”的魔力,承载着将废弃热能转化为清洁电力的科学设想。

“全球范围内,人类所使用的初级能源中有超过60%最终以废热形式散失于环境。从钢铁厂炽热的烟道到汽车的排气管,甚至是我们厨房里的灶台——只要存在温度高于环境的热源,就有一座未被开发的‘能源金矿’。”陈立东说。

如何高效开采“能源金矿”?热电转换技术是极具潜力的有效路径。陈立东院士团队在热电材料上取得的一系列突破,正让这条路径变得越来越清晰、可行。

热电转换关键在材料

热电效应是什么?让我们回到19世纪初的一个场景:当德国物理学家托马斯·塞贝克将手指放在一个铋的块体上,放在线圈里的指南针突然转动,用酒精灯烧这个铋的块体,转动则更明显。这就是热电效应的发现。它揭示了由两种不同导体构成的回路两端存在温差时,回路中会产生电流——这就是热电材料发电的物理基础。

“原理看似简单,但将实验室现象转化为稳定、高效、可规模化应用的工程技术有很大挑战。”陈立东介绍,“主要瓶颈在于材料。一个理想的热电材料,需要扮演一个‘矛盾角色’:它必须像铜一样善于传导电子(高电导率),同时又得像泡沫玻璃一样阻挡热量的直接传递(低热导率),并且还能产生大的电压(温差电势)。只有这样,材料两端才能建立并维持足够的温差,从而持续输出高功率。此外,它还必须在高温下保持稳定,对环境友好且成本可控。”

能够完美达到这些严苛条件的材料非常稀缺。一种被称为“方钴矿”的天然矿物受到关注,它的晶体结构非常特殊,由钴、砷等元素构成一个刚性的三维框架、笼状晶体结构,框架中间形成了一个个排列规则的孔洞,就像灯笼或鸟笼。“这些空‘笼子’为我们打开了广阔的性能调控空间。”陈立东介绍。

上世纪90年代,国外科学家率先尝试将外来原子填入方钴矿的“笼”内。结果令人振奋:这些被填入的原子在“笼”内像一个个活跃的“弹珠”,对传播热量的声子(晶格振动)形成了极其强烈的散射。

“这相当于在材料内部构建了高效的‘声子散射网络’。”陈立东说,“原来的热量在晶格中传递,好比汽车在空旷的高速公路上飞驰。现在,我们填入的原子就像无数个随机出现、剧烈振动的‘减速带’和‘路障’,极大地阻滞了‘热流车辆’的速度,从而大幅降低了材料的晶格热导率。同时材料的电学传输通道受到的影响相对较小。”这样一来,方钴矿的短板——热导率高的情况就得以弥补。

这类新材料被命名为“填充方钴矿”。它们的出现为热电材料研究打开了一扇新大门,并迅速成为该领域前沿热点。

尝试原子填充,找到“最佳配方”

2001年,我国开始了对方钴矿热电材料的系统研究。陈立东进入中国科学院上海硅酸盐研究所,致力于开发填充方钴矿等中高温热电材料。

“跟踪前沿固然重要,更要知其所以然,并实现超越。”陈立东及其团队不仅致力于开发新材料配方,更深入探究其背后的物理机制。2005年,陈立东与合作团队揭示了填充原子在方钴矿笼状结构中的“局域化”振动模式及其对热传输的强散射机制。

团队尝试用不同特性的原子进行“填充”。从单一的稀土元素(如钡、镱),到碱金属(如钠、钾),探索的步伐不断加快。“就像在微观世界里进行‘烹饪’实验。”陈立东说,“不同的填充原子是不同的‘调味料’,有的原子‘个头大’,振动幅度强;有的原子‘电荷多’,与笼壁相互作用不同。我们要找到‘最佳配方’,让笼中振动达到最理想的状态,从而实现热电性能的极致优化。”

探索很快从“单填”走向“共填”——通过将两种或三种不同尺寸、不同质量的原子协同填入方钴矿晶格笼,可以产生更复杂、更高效的声子散射频谱,将热导率降至接近理论极限。2011年,团队成功研制出多种元素原子共填充的方钴矿材料,其热电优值(衡量热电性能的核心指标)达到了当时同类材料的国际领先水平,标志着我国在该材料体系的研究跻身世界前列。

转换效率提升,走向广阔应用

拥有高性能的块体材料,只是第一步。如何将这些脆性的陶瓷类材料片与金属电极更好地连接起来,组装成能承受高温、大温差、振动等严苛考验的坚固热电发电模块?

陈立东说:“热电材料与金属电极的热膨胀系数往往差异很大。在反复的升降温循环中,一个‘胀’得多,一个‘胀’得少,界面处会产生巨大的热应力,最终导致连接处开裂、脱落,器件失效。这好比用水泥和木头紧紧黏合,太阳一晒,木头膨胀小,水泥膨胀大,接合部必然开裂。”

为了克服这一难题,团队2004年就引入并发展了“放电等离子烧结”技术,能在短短几分钟内施加高温、高压,将填充方钴矿粉末与特定配方的电极合金粉末一次性烧结成形。“这个过程就像‘闪电焊接’,在原子尺度上让两者紧密结合。”陈立东说。

此后,团队开展了一系列系统性、工程化研究。比如“在悬崖筑缓坡”——通过设计多层的梯度电极,缓冲材料与终端电极之间的热膨胀失配,让热应力平缓过渡。同时开展长期可靠性验证与批量化制备工艺探索,为未来工程应用铺路。

20多年来,团队将热电器件的转换效率从不到6%提升到了接近15%。

接近15%的转换效率意味着什么?陈立东举例说:“以中型卡车为例,其发动机排放的尾气温度高达500—600摄氏度。如果利用我们的模块回收这部分废热发电,理论上可以满足车辆部分辅助电器的用电需求,或为电池充电,带来可观的节能收益和碳减排量。”

目前,填充方钴矿等系列新型热电材料正从实验室走向更广阔的应用天地。陈立东描绘了热电技术深度融入生产生活的场景:工业余废热回收的“能源捕手”、交通运输的“绿色增效器”、深空探索的“心脏”、数据中心与芯片的“贴身冷却师”……

“目前,材料成本、系统集成效率、长期运行维护成本,都是产业化道路上需要持续优化的课题。”陈立东认为,借助人工智能,未来研究方向将更加多元,应用场景也将更加丰富。

  • “十大考古”生动解码“何以中国”

    图为河南新郑裴李岗遗址墓葬出土器物组合。 本版图片均为全国十大考古新发现推介活动办公室提供 全国十大考古新发现,不仅是年度考古发现的检阅,也是对中华文明更悠远更深邃更宽广的探寻。参评的每一个项目不
    人民日报
    2026-05-09 10:34
  • “点热成电”,挖掘能源金矿(院士讲科普)

    柔性热电器件应用于可穿戴电子设备示意图。 陈立东院士在做科普讲座。 方钴矿结构图。 以上图片均为中国科学院上海硅酸盐研究所提供 资料来源:中国科学院上海硅酸盐研究所 “十五五”规划纲要提出,
    人民日报
    2026-05-09 10:33
  • 一季度我国黄金消费量同比增长4.41%

    记者5月9日从中国黄金协会了解到,2026年一季度我国黄金产量81.065吨,同比下降7.08%;黄金消费量303.292吨,同比增长4.41%。 从生产端看,一季度国内原料产金81.065吨,同比
    央视新闻客户端
    2026-05-09 10:46
  • 黄金最新消费数据!一季度我国黄金首饰销量下降37.10%,金条及金币增长46.40%

    据中国黄金协会最新统计数据显示:2026年一季度,国内原料产金81.065吨,同比减少6.178吨,同比下降7.08%;进口原料产金55.165吨,同比增加1.578吨,同比增长2.94%。国内原料和
    中新经纬
    2026-05-09 10:43
  • 基层服务沉下去 科普质效提上来(深阅读)

    “十五五”规划纲要提出,加强科学技术普及,培育创新文化,弘扬科学家精神。 提升全民科学素养、培育科技创新土壤,离不开基层科普服务能力的持续增强。江西赣州“科普村响”让科普知识进村入户,湖北宜昌“点单
    人民日报
    2026-05-09 10:31
  • 安徽大学脑机接口研究人员范存航——“让更多成果从实验室走向应用”(产业里的年轻人)

    图为范存航(中)和学生沟通实验情况。本报记者 田先进摄 下午4点,安徽大学计算机科学与技术学院的实验室内,一项脑机接口技术实验正在进行。硕士生王畅头戴电极帽,脑电波在脑机智能基座等设备的传导下,实时
    人民日报
    2026-05-09 10:30
  • “2026世界市长对话·西安”活动在陕西西安举行——共探城市高质量发展之路

    与会嘉宾在长安云·西安科技馆参观。 与会嘉宾在西安曲江大唐芙蓉园体验投壶。 以上图片均为西安市委宣传部提供 “2026世界市长对话·西安”活动近日在陕西西安举行。该活动以“丝路起点·和合共生:科
    人民日报
    2026-05-09 10:22
  • 40℃要来了!你的短袖准备好了吗?

    春装穿不住了,你的短袖准备好了吗?5月10日至15日,北方今年首轮大范围高温天气即将登场,河南、山东、河北、陕西等多省将现35℃及以上的高温天气。 中国天气网气象分析师叶梦龙介绍,这将是北方今年首轮
    人民日报
    2026-05-09 10:20
  • 涉及手机、眼镜、耳机等!系列国标发布

    据工业和信息化部官网消息,工业和信息化部、商务部、市场监管总局等部门近日联合启动实施《人工智能终端智能化分级》(GB/Z 177-2026)系列国家标准,涉及移动终端、微型计算机、电视、眼镜、汽车座舱
    吉林日报
    2026-05-09 10:20
  • 走,到沙漠看玫瑰

    这还是那个荒凉的沙漠吗?晴空丽日,10万株玫瑰竞相绽放,花瓣层层叠叠,点缀在沙海边缘。微风拂过,淡淡花香扑面而来…… 眼下,新疆和田地区于田县奥依托格拉克乡万花园防沙治沙示范区生意盎然,成为游客打卡
    光明日报
    2026-05-09 10:06
  • 好评中国|不只看风景,更要入戏:县域经济活力迸发

    2026年“五一”假期,祖国处处生机盎然、人潮涌动。不少人主动避开热门景区的人潮与长途跋涉的疲惫,转而前往小众县域目的地休闲度假,在小城烟火、山野清风中解锁出游新方式。今年“五一”,县域目的地相关旅行
    中国吉林网
    2026-05-09 10:03
  • 金观平:刚性约束压实生态环保责任

    近日,中共中央办公厅、国务院办公厅印发《美丽中国建设成效考核办法》(以下简称《考核办法》),正式将污染防治攻坚战成效考核过渡为美丽中国建设成效考核。这是落实中央关于全面推进美丽中国建设决策部署的关键制
    中国经济网-《经济日报》
    2026-05-09 09:59
  • 我国第四代自主超导量子计算机“本源悟空-180”上线

    记者今天(9日)从安徽省量子计算芯片重点实验室获悉,搭载单核180个计算比特自主超导量子芯片的“本源悟空-180”量子计算机已上线运行,今日起开始接收全球量子计算任务。 第四代自主超导量子计算机“本
    央视新闻客户端
    2026-05-09 10:02
  • 受贿数额特别巨大 江西省政协原党组成员、副主席胡幼桃被提起公诉

    记者今天(9日)从最高人民检察院获悉,江西省政协原党组成员、副主席胡幼桃涉嫌受贿一案,由国家监察委员会调查终结,移送检察机关审查起诉。最高人民检察院依法以涉嫌受贿罪对胡幼桃作出逮捕决定,并指定由浙江省
    央视新闻客户端
    2026-05-09 10:00
  • 无人机坠入铁路线路致高铁故障,吴某某被采取刑事强制措施

    近年来,我国无人机保有量持续攀升、应用场景不断拓展。但个别人员操控无人机在铁路沿线开展飞行拍摄、从事农林作业等活动时,因安全意识淡薄、操作不当侵入高铁线路区域或违法飞越铁路线路上空,严重影响铁路运输秩
    人民日报客户端
    2026-05-09 09:38
  • 公安部公布无人机影响铁路安全典型案例

    新华社北京5月9日电(记者李明辉)公安部9日公布今年以来公安机关查处的无人机影响铁路安全典型案例。 这批典型案例包括吴某某过失损坏交通工具案、曾某某违法飞行民用无人驾驶航空器案等5起案例。据介绍,个
    新华社
    2026-05-09 09:35
  • 增加受教育年限提升人才红利——“十五五”时期经济社会发展主要指标解读⑥

    “十五五”规划纲要提出—— 到2030年,劳动年龄人口平均受教育年限增至11.7年 “十五五”规划纲要提出,到2030年,劳动年龄人口平均受教育年限增加到11.7年,这也是唯一一项约束性民生指标。
    中国经济网-《经济日报》
    2026-05-09 09:20
  • 旅游专列绘就“五一”假期幸福图景

    今年“五一”长假恰逢部分地区的春假,亲子游、家庭游、研学游等多元需求集中释放,山川湖海皆成向往,烟火人间尽是风情,处处涌动着澎湃的出行热潮。 放眼广袤神州大地,“钢铁动脉”纵横交织,如银线般串起南北
    中国经济网
    2026-05-09 09:20
  • 【在希望的田野上】新技术新装备助力农业生产

    央视网消息(新闻联播):农忙时节,各地因地制宜,广泛采用新技术、新装备、新方法节本增效,为丰产丰收打下基础。 眼下,黑龙江玉米、大豆等旱田作物播种进入高峰。在鹤山农场第六管理区,新型起垄施肥机正在作
    央视网
    2026-05-09 09:19
  • 各地区各部门各单位深入开展学习教育——用心用情用力解决群众急难愁盼问题(树立和践行正确政绩观)

    树立和践行正确政绩观学习教育开展以来,各地区各部门各单位坚持高标准谋划、高质量推进,一体推进学查改,用心用情用力解决群众急难愁盼问题,以促发展、惠民生的实际成效检验学习教育成果。 理论武装  学深悟
    人民日报
    2026-05-09 09:18