Forskere bruger neutroner til at tage et dybere kig på rekordforøgelse af termoelektrisk effektivitet

Neutronfaciliteter på Oak Ridge National Laboratory hjælper videnskabsmænd i forskning for at øge kraften og effektiviteten af ​​termoelektriske materialer. Disse ydelsesforøgelser kunne muliggøre mere omkostningseffektive og praktiske anvendelser af termoelektrisk, med bredere industriadoption, at forbedre brændstoføkonomien i køretøjer, gøre kraftværker mere effektive, og fremme kropsvarmedrevne teknologier til ure og smartphones.

Termoelektriske materialer, typisk metalforbindelser, kan omdanne varme til elektricitet og omvendt i nærværelse af en temperaturgradient, hvilket gør dem ideelle til anvendelser inden for genvinding af spildvarme.

Termoelektrik kunne udnytte enorme mængder ubrugt spildvarme produceret af industrielle operationer, elproduktion med fossilt brændstof, erhvervsbygninger, køretøjer, og endda mennesker ved at omdanne den "tabte" varme til brugbar energi. Men indtil videre har deres anvendelse været begrænset til tilføjelsesteknologier på grund af deres lave effektivitet sammenlignet med konventionelle former for energiproduktion.

For at nå benchmarks sat for selvstændige termodrevne enheder, forskere ser nu dybere ned til atomerne i lovende materialer og metoder til at hæve effektivitetsscore.

Arbejde med et magnesium-antimon-baseret materiale, et internationalt forskerhold ledet af University of Houston fysiker Zhifeng Ren har påvist en væsentlig stigning i legeringens kraftfaktor, eller total energiproduktion, med en teknik kaldet defektteknik. Ved at erstatte koboltatomer på strategiske steder, forskere ændrede vejen for elektroner på en måde, der væsentligt forbedrede deres mobilitet. Neutronanalyse udført på ORNL spillede en nøglerolle i at verificere metodens succes.

Resultaterne, udgivet i Proceedings of the National Academy of Sciences , er kommercielt relevante med en fortjeneste, eller ZT-værdi, på ~1,7 opnået i termoelektrisk effektivitet. Mest markant er materialets stigning i effektfaktor ved stuetemperatur med et rekordspring fra 5 til 13 μW·cm ⁻¹ ·K ⁻² det mere end fordoblede materialets samlede energiproduktion.

Den resulterende effektfaktor er langt fra rekorden på 106 ved stuetemperatur nået af Ren og andre tidligere, men metoden til at booste det kunne anvendes på overlegne materialer - især dem med en effektfaktor allerede over 100 - for at gøre den mest effektive termoelektrik endnu bedre.

Fremgangsmåden fungerer ved at justere forbindelsens atomstruktur for at overvinde en iboende modstand i strømmen af ​​elektroner, der har begrænset termoelektriks potentiale. På atomniveau, termoelektriske effekter opstår, når bærere, eller elektroner, bevæge sig som reaktion på temperaturen. Når elektroner bevæger sig gennem materialer, de interagerer med atomer og bliver spredt på en kredsløbsvej snarere end en direkte rute, hvilket resulterer i ineffektiv energiomsætning.

For at producere mere varme eller mere strøm med termoelektrik, forskning har generelt favoriseret to veje – at øge antallet af operatører eller øge operatørens mobilitet. At designe et materiale eller ændre et eksisterende materiale til at rumme flere elektroner er en løsning, selvom det er svært at modificere et materiale og samtidig bevare dets termoelektriske egenskaber. En anden mulighed, vedtaget af forskerholdet, er at finjustere materialerne på atomniveau for at udjævne vejen for elektroner at passere igennem med mindre modstand, derved hæve materialets kraftfaktor.

Målet er ikke at skabe mere plads i materialer, men snarere for at finessere de naturlige vibrationer af atomer, der styrer deres interaktioner med elektroner, ved at indføre "defekter", der ikke er naturligt til stede. Ved strategisk at placere den rigtige mængde kobolt i den tilpassede legering, forskere er i stand til at sprede elektronerne i legeringen mere effektivt.

"Dette er en sofistikeret måde at forbedre termoelektrik fra bunden og op ved at kontrollere den måde, elektroner spredes gennem materialer, " sagde ORNLs Clarina de la Cruz, der har samarbejdet om undersøgelsen.

Som instrumentforsker for HB-2A Neutron Powder Diffractometer ved High Flux Isotope Reactor, de la Cruz ledede neutronspredningsforskningen for at analysere det kobolt-doterede Mg ₃ Sb ₂ materiale.

Et centralt mål for forskere var at udpege de præcise placeringer af erstatningskoboltatomerne, der blev introduceret for at verificere deres rolle som elektronspredningscentre. Arbejdet ville ikke have været muligt uden brugen af ​​neutroner og deres unikke, ikke-destruktive evner til at observere stof på atomniveau.

Neutroner var essentielle på grund af materialets kompleksitet, forklarede de la Cruz. "At se på strategiske substitutioner på overgangsmetaller og identificere meget små koncentrationer af kobolt er ingen lille opgave. Selv uden den ekstra udfordring med substitutioner, nogle af disse grundstoffer er så tæt på hinanden i det periodiske system, at det er ekstremt svært at tyde dem med røntgenstråler eller andre metoder. Du har virkelig brug for neutroner for at løse den slags problemer."

"Neutronvidenskab er blevet en integreret del af sløjfen i at øge ydeevnen af ​​termoelektrik, " sagde de la Cruz. "Forskere over hele verden, der designer nye materialer, bruger ORNLs neutronfaciliteter til at verificere og forbedre deres resultater, I dette tilfælde, fremme fremtidens energisikkerhed."

Forskningen er delvist støttet af Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, et Energy Frontier Research Center finansieret af DOE Office of Science.

Artikel oprindeligt offentliggjort i Neutron nyheder .