《Science》：ISTA研究人员3D打印高性能、可持续热电材料

导读：快速、局部的热电制冷器（TECs）对于电子设备至关重要，应用范围广泛，从可穿戴材料到烧伤治疗。虽然所谓的热电材料可以将温差转换为电压，但在效率和制造可扩展性方面仍面临挑战。

2025年2月24日，南极熊获悉，来自奥地利科学技术研究所（ISTA）Maria Ibáñez教授和Shengduo Xu博士等人通过采用基于挤出的3D打印技术来制造高性能热电材料，解决了这些挑战。据悉，新的制造方法可大大降低生产成本，同时保持与传统方法相当的性能。

△研究团队来自 ISTA 实验室。从左到右：能源科学联合教授兼沃纳西门子热电实验室负责人 Maria Ibáñez、Abayomi Lawal、第一作者 Shengduo Xu 和 Sharona Horta。© ISTA

相关论文以题为“Interfacial bonding enhancesthermoelectric cooling in 3D-printed materials.”的论文发表《Science》杂志。项目得到了奥地利科学技术研究所 (ISTA) 和沃纳西门子基金会的资助。

论文链接： https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads0426

热电冷却器，也称为固态制冷器，可通过电流将热量从设备的一侧传递到另一侧，从而实现局部冷却。热电冷却器使用寿命长、不易泄漏、尺寸和形状可调，且没有移动部件（如循环液体），因此非常适合各种冷却应用，例如电子产品。然而，用锭材制造热电冷却器成本高昂，而且会产生大量材料浪费。此外，热电冷却器的性能仍然有限。

现在，由能源科学联合体教授兼沃纳西门子热电实验室主任玛丽亚·伊巴涅斯 (MariaIbáñez)领导的团队，与第一作者、奥地利科学技术研究所 (ISTA) 的博士后徐胜铎一起，利用 3D 打印机开发出高性能热电材料，并用它们构建了热电冷却器。徐胜铎表示：“我们将 3D 打印创新地融入热电冷却器制造中，大大提高了制造效率并降低了成本。”

此外，与之前 3D 打印热电材料的尝试相比，本方法生产出的材料性能要高得多。ISTA 伊巴涅斯教授补充道：“凭借商业级的性能，我们的工作有可能超越学术界，具有实际意义，并吸引寻求实际应用的行业的兴趣。”

△合成工艺及性能。

△打印Ag2Se的多孔微观结构及热电性能。

△通过形成颗粒间的界面键合提升BST-B-ST的热电性能。

△3D打印的热电制冷器（TEC）的冷却性能和稳定性。

突破热电技术的界限

虽然所有材料都表现出某种热电效应，但这种效应通常微不足道，根本无用。表现出足够高热电效应的材料通常是所谓的“简并半导体”，即“掺杂”半导体，其中故意引入杂质，性能接近导体。目前最先进的热电冷却器是使用基于锭的制造技术生产的——这是一种昂贵且耗电的程序，生产后需要大量的加工过程，这会浪费大量材料。徐说：“通过我们目前的工作，我们可以 3D 打印出所需形状的热电材料。此外，由此产生的设备在空气中表现出 50 度的净冷却效果。这意味着我们的 3D 打印材料的性能与制造成本高得多的材料相似。”因此，ISTA 材料科学家团队提出了一种可扩展且经济高效的热电材料生产方法，避免了耗能且耗时的步骤。

△合著者Abayomi Lawal 操作 3D 打印机

具有优化颗粒结合的打印材料

除了应用 3D 打印技术生产热电材料外，研究团队还设计了油墨，这样当载体溶剂蒸发时，晶粒之间会形成有效而牢固的原子键，从而形成原子连接的材料网络。因此，界面化学键改善了晶粒之间的电荷转移。这解释了团队如何设法提高 3D 打印材料的热电性能，同时也为多孔材料的传输特性提供了新的见解。Ibáñez 说：“我们采用了基于挤压的 3D 打印技术，并设计了油墨配方，以确保打印结构的完整性并促进颗粒结合。这使我们能够从打印材料中生产出首批热电冷却器，性能与基于锭的设备相当，同时节省了材料和能源。”

△用于测量热电性能的挤出打印装置

医疗应用、能量收集和可持续性

除了在电子设备和可穿戴设备中快速进行热量管理外，热电冷却器还可以用于医疗领域，包括烧伤治疗和肌肉拉伤缓解。此外，ISTA 科学家团队开发的油墨配方方法可以适用于高温热电发电机（一种可以利用温差产生电压的设备）中使用的其他材料。研究团队声称，这种方法可以扩大热电发电机在各种废物能量收集系统中的适用性。

△合著者兼电子显微镜专家 Sharona Horta。

Ibáñez说道：“我们成功地实施了全周期方法，从优化原材料的热电性能到制造稳定、高性能的最终产品。我们的工作为热电设备生产提供了变革性的解决方案，并预示着高效、可持续热电技术新时代的到来。”