能源“清道夫”可以将冰箱等设备的余热转化为电力

冰箱、锅炉，甚至灯泡都在不断地向周围排放热量。从理论上讲，这种“余热”可以转化为电力，就像发电厂、汽车发动机和其他高热源有时所做的那样。问题是：这些“低档”来源释放的热量太少，目前的技术无法很好地进行转换。

现在，研究人员发明了一种利用液体将低级热能高效转化为电能的装置。有朝一日，这一进步可能会为能源回收设备提供动力，这些设备可以点亮传感器和灯，甚至可以给电池充电。

加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师刘平(音译)没有参与这项研究，他说：“这是一项很好的工作，也是一个非常聪明的想法。”

近200年来，科学家们已经知道某些材料可以将热能转化为电能，目前正在探索用于为混合动力汽车提供额外电力的材料。这项工作是由被称为热电材料的特殊半导体完成的，这种材料被塑造成计算机芯片大小的微型设备。当热电的一端比另一端热时，热和电子就会从热端移动到冷端。将多个这样的芯片布线在一起可以让工程师产生稳定的电流。

转换的关键是找到擅长导电电子而不是导热的材料，以保持两边的温差。现有的那些是昂贵的-当热面和冷面的温差为数百摄氏度时，效果最好。对于冰箱这样的低档热源，它们几乎毫无用处。

为了解决这个问题，华中科技大学的材料物理学家周军和他的同事们转向了热电池。这些装置使用液体而不是固体材料将电荷从热端传导到冷端。它们不是通过混洗电子，而是通过移动带电分子或离子来做到这一点。

热电池擅长将微小的温差转化为电能，但它们通常只产生微小的电流。这在一定程度上是因为离子比电子更慢。离子还通过材料传递热量(与电子不同)，减小了两边的温差，降低了能量转换效率。

周和他的同事们从一个小型热电池开始：一个多米诺骨牌大小的腔体，顶部和底部都有电极。底部电极放置在加热板上，顶部电极与冷却器相邻，两个电极之间保持50°C的温差。然后，他们用一种叫做铁氰化铁的带离子电荷的液体填满了房间。

过去的研究表明，热电极旁边的铁氰化物离子会自发放弃一个电子，从带-4电荷的铁氰化物(Fe(CN)6-4)变成带-3电荷的铁氰化物(Fe(CN)6-3)。然后，电子通过外部电路到达冷电极，为路上的小型设备供电。一旦它们到达冷电极，电子就会与从下面向上扩散的Fe(CN)6-3离子结合。这会再生Fe(CN)6-4离子，然后向下扩散到热电极，重复这个循环。

为了减少这些移动离子携带的热量，周和他的同事们在他们的铁氰化物中加入了一种名为胍类的带正电荷的有机化合物。在冷电极上，胍使冷的Fe(CN)6-4离子结晶成微小的固体颗粒。因为固体颗粒的导热系数比液体低，所以它们阻挡了一些热量从热电极传到冷电极。重力然后将这些晶体拉到热电极上，在那里额外的热量将晶体重新变成液体。“这是非常聪明的，”刘说，因为固体颗粒帮助保持了两个电极之间的温度梯度。

它也奏效了。周和他的同事们本周在“科学”杂志上报道，这种热电池在相同的电极面积上产生的电力是以前版本的五倍。它还将制造可行的商业设备所需的效率提高了一倍以上。研究小组发现，一个由20个热电池组成的平装书大小的模块可以驱动LED灯，为风扇供电，并为手机充电。

麻省理工学院的机械工程师陈刚(音译)没有参与这项研究，他说：“这表明你可以将(这些设备)的性能提高到非常可观的水平。”他补充说，这是否足够好，使这项技术在商业上取得成功，还有待观察。“低档余热无处不在。但是收集它需要钱。“。

陈说，为现实世界的设备供电的下一步是添加其他廉价的材料，这些材料尽可能多地吸收所需来源的废热，同时排除周围环境的其他部分-周说他的团队已经在做这项任务。当这种情况发生时，我们可能很快就能用我们周围的热能为各种小玩意儿供电。