東京工業大學的片瀨貴義副教授等人發現了一種能將熱量轉化爲電能的不含有害物質的焦熱電轉換材料。該材料由於不使用昂貴的稀有金屬，因此價格低廉。如果能以之促進目前應用範圍受限的焦熱電轉換元件的普及，就可以利用工廠等場所的廢熱來發電，從而減量二氧化碳（CO₂）的排放量。
東京工業大學發現了一種可以將熱量高效轉化爲電能的無害材料（供圖：東京工業大學）
焦熱電轉換是透過加熱金屬或半導體的一部分，利用溫差來發電的。該技術已在以體溫發電的手錶等領域得到了實際應用。然而，目前焦熱電轉換的主流方式使用對人體有害且價格昂貴的稀有金屬碲的化合物材料，這種材料在廢棄時費事費錢，導致普及緩慢。除此之外雖然也有使用鈦氧化物的無害材料，但其熱量轉化電能的效率較低。
要提高焦熱電轉換性能必須製造能夠溫差的不易導熱材料。爲此，東京工業大學的片瀨副教授和He Xinyi博士研究員、神谷利夫教授等人組成的研究團隊重點研究了具有特殊晶體結構的、被稱爲「反型結構鈣鈦礦」的鋇和硅的氧化物。
這種氧化物具有中心位置的氧離子和周圍較重的鋇離子以離子鍵弱結合的結構，因此導熱性差。此外，不同於以氧離子運送發電時產生的帶正電荷的電洞（電動）的鈦氧化物，它是以直徑約爲氧離子2倍大的硅離子進行高效運送的。因此，該氧化物可以產生大量電能。
研究人員製備了大小爲1釐米見方的氧化物晶體。透過實驗和電腦計算發現，該晶體將熱量轉化爲電能的焦熱電轉化效率在327攝氏度時達到了與碲化合物相當的2.1，與對人體無害但性能較低的鈦氧化物相比，性能提高了3倍以上，達到了可投入實際應用的水平。
本次發現的材料由於不使用稀有金屬，造價低廉，可易於廣泛應用到工廠廢熱等各個領域。研究團隊未來還將製造焦熱電轉換元件。片瀨副教授表示「如果採用添加劑等手段，還可能實施更高的轉化效率」。目前製備的晶體會吸收大氣中的水分劣化，因此需要透過改變成分等方式進行改良。研究團隊的目標是與企業合作，力爭在5到10年内實施材料的實際應用。
在已開發國家，60%的能源消耗以廢熱方式浪費掉。絕大部分廢熱溫度在300攝氏度以下，無法用於以熱量燒水產生的蒸汽來發電的蒸汽渦輪發電機。利用這種溫度的廢熱來發電，本次發現的氧化物具有可行性。
如果對人體無害且價格低廉的焦熱電轉換元件得到普及，將使日本目前偏向火力發電的電力供應雜異化。還有可能減量化石燃料的進口量，改善貿易收支狀況。
日文：科學編輯 草鹽拓郎、《日經產業新聞》、2024/3/21
中文：JST客觀日本編輯部
