Sådan opfanges spildvarmeenergi med forbedrede polymerer

Ifølge et officielt skøn, amerikansk produktion, transport, private og kommercielle forbrugere bruger kun omkring 40 procent af den energi, de trækker på, spilder 60 pct. Meget ofte, denne spildte energi slipper ud som varme, eller termisk energi, fra ineffektiv teknologi, der ikke formår at høste den potentielle kraft.

Nu et team på University of Massachusetts Amherst ledet af kemiker Dhandapani Venkataraman, "DV, " og elektroingeniør Zlatan Aksamija, rapporter denne måned i Naturkommunikation på et fremskridt, de skitserer mod mere effektiv, billigere, polymerbaseret høst af varmeenergi.

"Det vil være en overraskelse for feltet, " forudser DV, "det giver os en anden nøglevariabel, vi kan ændre for at forbedre den termoelektriske effektivitet af polymerer. Dette burde gøre os, og andre, se på polymer termoelektrik i et nyt lys."

Aksamija forklarer, "Brug af polymerer til at omdanne termisk energi til elektricitet ved at høste spildvarme har oplevet en stigende interesse i de seneste år. Spildvarme repræsenterer både et problem, men også en ressource; jo mere varme din proces spilder, jo mindre effektiv er det." Høst af spildvarme er mindre vanskeligt, når der er en lokal, højtemperaturgradientkilde at arbejde med, tilføjer han, såsom en højkvalitets varmekilde som et kraftværk.

Termoelektriske polymerer er mindre effektive til varmehøst sammenlignet med stive, dyre at producere uorganiske metoder, som ikke desto mindre er ret effektive, Aksamija tilføjer, men polymerer er værd at forfølge, fordi de er billigere at producere og kan belægges på fleksible materialer - til at vikle rundt om et kraftværks udstødningsstabel, for eksempel.

For nylig, videnskabsmænd har adresseret denne hindring med en proces kaldet "doping". Med det, forskere blander kemiske eller andre komponenter i polymerer for at forbedre deres evne til at flytte elektriske ladninger og øge effektiviteten. DV siger, "Forestil dig, at vi har tilføjet chokoladechips, et materiale, der forbedrer ledningsevnen, til en cookie. Det er doping."

Men doping involverer en afvejning, tilføjer Aksamija. Det kan enten opnå mere strøm og mindre termisk induceret spænding, eller mere spænding og mindre strøm, men ikke begge dele. "Hvis du forbedrer en ejendom, du gør den anden værre, " forklarer han, "og det kan kræve en stor indsats at finde den bedste balance, " eller optimal doping.

For at løse dette, DV og hans kemi Ph.D. studerende Connor Boyle, med Aksamija og hans elektroingeniør Ph.D. studerende Meenakshi Upadhyaya arbejdede i, hvad DV kalder "et sandt samarbejde, "hvor hver indsigt fra numeriske simuleringer informerede den næste serie af eksperimenter, og omvendt.

Kemikerne udførte eksperimenter, mens ingeniørteamet udførte effektivitetsanalyser langs kurven fra "nul doping" til "maksimal doping" for at identificere den bedste balance for mange forskellige materialer. For det enorme antal simuleringer, de kørte for at teste hundredvis af scenarier, de brugte Massachusetts Green High Performance Computing Center i det nærliggende Holyoke.

siger Aksamija. "Vi kan nu fortælle dig, for hvert givet materiale, hvad er den optimale balance mellem de to egenskaber, og for en stund, folk var tilfredse med bare at vide det." Men undervejs, tilføjer han, de opdagede en helt ny variabel, der endnu ikke var blevet redegjort for, en, der viste sig at være afgørende for den dopede polymers evne til at høste termisk energi effektivt.

Han siger, "Den oprindelige analyse kom ikke ind på spørgsmålet om placeringen af ​​dopingkomponenterne, om materialerne klumper eller ej, og hvor meget de klumper, eller klynge, som vi kalder det. Det viser sig, at klyngedannelse er en kritisk variabel." Holdet henvendte sig til kemiker Michael Barnes, en medforfatter på deres seneste papir, som brugte Kelvin Probe Force Microscopy til at sondere dopingstofferne på nanoniveau og vise, at klyngedannelse faktisk er til stede i polymerer, der er dopet ved stuetemperatur, men ikke ved højere temperaturer.

Med den bekræftelse, forskerne vendte sig mod at modellere en udvidet trade-off kurve, siger Upadhyaya. Ud fra deres teoretiske modellering, hun og Aksamija fandt ud af, at klyngedannelse ændrer formen på den kurve. For at forbedre effektiviteten ud over afvejningen mellem strøm og spænding, man skal flytte hele afvejningskurven, hun siger.

Dette uventede fund skulle give en ny vej til at designe mere effektive polymerer til termoelektriske enheder, siger forskerne. DV bemærker, at indtil nu, kemikere og materialeforskere har forsøgt at organisere polymerer, så de ligner de uorganiske stoffer, "pænt afstemt og meget regelmæssig, hvilket er svært at gøre, " tilføjer han. "Det viser sig, at dette måske ikke er vejen at gå; du kan tage en anden vej eller en anden tilgang. Vi håber, at dette papir giver et grundlag for at flytte polymerbaseret termoelektrik fremad."