Mere effektiv omdannelse af varme til elektricitet ved at pille ved nanostruktur

Termoelektriske materialer omdanner varme til elektricitet, hvilket gør dem yderst attraktive for bæredygtig energiproduktion, især i betragtning af, at industrien kan spilde mere end to tredjedele af sin energi som varme. Men masseproduktion af termoelektrisk energi er i øjeblikket begrænset af lavenergikonverteringseffektivitet. Nu, imidlertid, forskerne Biswanath Dutta og Poulumi Dey fra TU Delfts afdeling for Materials Science and Engineering, har ikke kun været i stand til at forklare, hvordan nanostrukturer i termoelektriske materialer kan forbedre energieffektiviteten, men foreslår også en kommercielt attraktiv måde at fremstille nanostrukturerede termoelektriske materialer, øger chancerne for masseproduktion af termoelektrisk energi. Deres resultater blev offentliggjort i Nano energi .

Udgangspunktet for Dutta og Deys arbejde var de eksperimentelle resultater leveret af deres medforskere i Sydkorea, som arbejdede med et velkendt termoelektrisk materiale, en såkaldt NbCoSn halv-Heusler-forbindelse. "Dette er dybest set en specifik type krystalstruktur, som du sætter visse elementer ind i - i dette tilfælde niobium, kobolt og tin, " forklarer Dutta. "Og ved at lege med både mængden og placeringen af ​​hvert af grundstofferne - for eksempel at sætte mere niob i stedet for kobolt - kan du se, hvordan det påvirker materialets samlede effektivitet."

Hvad resultaterne fra deres sydkoreanske samarbejdspartnere viste var, at ved en bestemt temperatur, visse former for nanostrukturer blev dannet i dette materiale. Så Dutta og Dey kørte teoretiske simuleringer baseret på disse observationer:"Først simulerede vi effekten af ​​at tilføje enten et eller to ekstra koboltatomer, og i forskellige positioner, for at finde ud af, om det ville øge effektiviteten eller ej, " siger Dey. "Det viste sig, at placeringen af ​​denne ekstra kobolt virkelig har en vigtig rolle for hele ydelsen af ​​dette materiale, hvilket var noget, som holdet, der lavede eksperimenterne, ikke rigtig kunne forklare, fordi det var ud over opløsningen af ​​deres målinger."

Ud over, Dutta og Dey var også i stand til at demonstrere en effekt kendt som energifiltrering:"Du kan tænke på det som en slags barriere for elektroner under en bestemt energi, hvilket igen forbedrer den samlede elektriske ledningsevne, " forklarer Dutta. "Ved at filtrere lavenergielektronerne fra og lade højenergielektronerne passere igennem, der er en stigning i den samlede effektivitet."

"Dette er en nanostruktureffekt, " siger Dey. "Det er dannelsen af ​​nanostrukturerne i resten af ​​materialet, og grænsefladen mellem dem, der fungerer som barrieren, så hvis du ikke har disse nanostrukturer, du vil ikke have denne effekt, fordi der ikke er nogen grænseflade. Men så snart disse nanostrukturer er dannet, du får disse grænseflader, som blokerer lavenergielektronerne, men tillader højenergielektronerne at passere igennem med det resultat, at den samlede energieffektivitet øges."

Ultimativt, TU Delft-simuleringerne foreslog to grunde til øget energieffektivitet i dette skræddersyede NbCoSn termoelektriske materiale:tilstedeværelsen af ​​ekstra koboltatomer i specifikke positioner kaldet interstitielle steder i gitterstrukturen, og også den energifiltrerende effekt.

I øvrigt, den forbedrede forståelse af, hvorfor dette nanostrukturerede termoelektriske materiale er mere energieffektivt, tyder på en bedre, mere anvendelig måde at producere termoelektrisk energi på. "I øjeblikket, nanostrukturerede termoelektriske materialer fremstilles gennem en lang og stringent proces med at knuse og opvarme præformede strukturer, " forklarer Dutta "som er både tids- og energikrævende, så ikke ideel til masseproduktion." I stedet for at gå ned ad den konventionelle rute, holdene foreslog at starte med et "ustruktureret" eller amorft materiale:"Fordelen ved at starte med et amorft materiale er, at det ikke har en underliggende struktur, og så du behøver ikke at gennemgå denne lange proces med slibning og opvarmning for homogenisering. Så det er mere energieffektivt og derfor meget mere nyttigt til masseproduktion af termoelektrisk energi." Gode ​​nyheder for ingeniører i de industrier, der arbejder med genvinding af højtemperaturvarme.