Nyt termoelektrisk materiale leverer rekordydelse

Udnytter de seneste fremskridt inden for anvendelse af teoretiske beregninger til at forudsige egenskaberne af nye materialer, forskere rapporterede torsdag opdagelsen af ​​en ny klasse af halv-Heusler termoelektriske forbindelser, herunder en med et rekordhøjt fortjeneste - en metrik, der bruges til at bestemme, hvor effektivt et termoelektrisk materiale kan omdanne varme til elektricitet.

"Det fastholdt det høje fortjensttal ved alle temperaturer, så det kan potentielt være vigtigt i applikationer ned ad vejen, "sagde fysiker Zhifeng Ren, direktør for Texas Center for Superconductivity ved University of Houston (TcSUH) og tilsvarende forfatter på et papir, der rapporterer arbejdet, udgivet i Naturkommunikation .

Termoelektriske materialer har tiltrukket stigende interesse for forskningsmiljøet som en potentiel kilde til "ren" strøm, produceret, når materialet omdanner varme - ofte spildvarme fra kraftværker eller andre industrielle processer - til elektricitet.

En række lovende materialer er blevet opdaget, selvom de fleste ikke har været i stand til at opfylde alle kravene til udbredte kommercielle applikationer. Forskerne sagde, at deres opdagelse af halv-Heusler-forbindelser sammensat af tantal, jern og antimon gav resultater, der er "ganske lovende for termoelektrisk elproduktion."

Forskerne målte konverteringseffektiviteten af ​​en forbindelse til 11,4 procent - hvilket betyder, at materialet producerede 11,4 watt elektricitet for hver 100 watt varme, den tog ind. Teoretiske beregninger tyder på, at effektiviteten kunne nå 14 procent, sagde Ren, der også er MD Anderson Formand professor i fysik ved UH. Han bemærkede, at mange termoelektriske enheder vil have praktiske anvendelser med en konverteringseffektivitet på 10 procent.

I alt, forskerne forudsagde seks tidligere ikke -rapporterede forbindelser og med succes syntetiseret en, som leverede høj ydeevne uden brug af dyre elementer.

"Vi har opdaget 6 udokumenterede forbindelser, og 5 af dem er stabile med den halve Heusler-krystalstruktur, "skrev de." Den p-type TaFeSb-baserede halv-Heusler, en af ​​forbindelserne opdaget i dette arbejde, viste en meget lovende termoelektrisk ydelse. "

Ud over Ren og medlemmer af hans laboratorium, arbejdet involverede yderligere forskere på UH; University of Missouri; Massachusetts Institute of Technology; Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics på det kinesiske videnskabsakademi; Southwest University i Chongqing, Kina; instituttet for metalliske materialer i Dresden, Tyskland; University of Electronic Science and Technology of China; og Shanghai University.

Ved at stole på teoretiske beregninger til at forudsige forbindelser, der forventes at have høj termoelektrisk ydeevne, tillod forskerne at finpudse de mest lovende forbindelser. Men faktisk skaber vi materialer sammensat af tantal, jern og antimon, en indsats ledet af UH-postdoktorale forskere og første forfattere Hangtian Zhu og Jun Mao, vist sig kompleks, dels fordi komponenterne har så forskellige fysiske egenskaber.

Tantal, for eksempel, har et smeltepunkt over 3, 000 grader Celsius, mens smeltepunktet for antimon er 630 Celsius. Tantal er hårdt, mens antimon er relativt blødt, gør buesmeltning - en almindelig metode til at kombinere materialer - vanskeligere. De var i stand til at fremstille forbindelsen ved hjælp af en kombination af kuglefræsning og varmpressning.

Når forbindelsen var dannet, forskerne sagde, at det tilbød både de nødvendige fysiske egenskaber såvel som de mekaniske egenskaber, der ville sikre strukturel integritet. Ren sagde, at de anvendte elementer alle er relativt tilgængelige og billige, gør forbindelsen omkostningseffektiv.

Ud over egenskaberne ved selve forbindelsen, forskerne sagde, at deres resultater giver stærk støtte til yderligere afhængighed af beregningsmetoder til direkte eksperimentel indsats.

"Det skal bemærkes, at omhyggelig eksperimentel syntese og evaluering af en forbindelse er dyr, mens de fleste teoretiske beregninger, især som anvendt i tilstande med høj kapacitet, er relativt billige, "skrev de." Som sådan, Det kan være en fordel at bruge mere sofistikerede teoretiske undersøgelser til at forudsige forbindelser, før man afsætter bestræbelserne på omhyggelig eksperimentel undersøgelse. "