Udnyttelse af spildvarme til elektricitet ved at nanostrukturere termoelektriske materialer

I vores igangværende kamp for at reducere brugen af ​​fossilt brændstof, teknologi til direkte at omdanne verdens spildvarme til elektricitet fremstår som meget lovende. Termoelektriske materialer, som udfører denne energiomdannelsesproces, har, dermed, for nylig blevet fokus for intens forskning verden over. Af de forskellige potentielle kandidater, der kan anvendes ved en bred vifte af temperaturer, mellem 30 og 630 °C, bly telluride (PbTe) giver den bedste termoelektriske ydeevne. Desværre, de fremragende kvaliteter af PbTe overskygges af blyets giftige natur, får forskere til at undersøge sikrere termoelektriske halvledere.

Tintellurid (SnTe) kunne være et alternativ. Men det fungerer ikke nær så godt som PbTe, og forskellige metoder til at forbedre dens termoelektriske ydeevne bliver aktivt undersøgt. Der er to hovedproblemer med SnTe, der sænker dens værdital (ZT):dens høje varmeledningsevne og dens lave Seebeck-koefficient, som bestemmer hvor stor den genererede termoelektriske spænding er som funktion af temperaturen. Selvom forskere har formået at forbedre disse parametre hver for sig, det har vist sig vanskeligt at gøre det for begge samtidigt i tilfældet med SnTe.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Chemical Engineering Journal , et par forskere fra Chung-Ang University, Korea - Dr. Jooheon Kim og Hyun Ju – kom med en effektiv strategi til at løse dette problem. Deres tilgang er baseret på nanostrukturering - fremstilling af et materiale med ønskede strukturelle egenskaber i nanometerskalaen. I dette særlige tilfælde, forskerne producerede porøse SnTe nanoplader. Imidlertid, at lave nanoark ud af SnTe er bemærkelsesværdigt komplekst ved brug af standardprocedurer, hvilket fik forskerne til at udtænke en innovativ syntesestrategi.

De benyttede sig af en anden halvleder:tinselenid (SnSe). Dette materiale har en lagdelt struktur, der er relativt let at eksfoliere for at producere SnSe nanoark. Forskerne nedsænkede disse nanoark i en opløsning af vinsyre (C ₄ H ₆ O ₆ ) og ren Te under en nitrogenatmosfære for at forhindre oxidation. Hvad C ₄ H ₆ O ₆ gør er at udtrække Sn-Se-par fra SnSe-nanoarkene, derved tillader det opløste Te ^- s naturligt at erstatte Se ^- anion i de ekstraherede par. Derefter, Sn-Te-parrene forbinder det originale nanoark igen på en lidt 'uperfekt' måde, skabe porer og korngrænser i materialet. Resultatet af hele denne proces er anionbyttede porøse SnTe nanoark.

Forskerne undersøgte de reaktionsmekanismer, der gjorde disse SnTe nanoark mulige, og søgte omhyggeligt efter de syntesebetingelser, der producerede den optimale nanoskalamorfologi. "Vi fandt ud af, at nanostrukturen af ​​de optimale anionbyttede porøse SnTe nanoplader, sammensat af nanopartikler på kun 3 nm i størrelse med defekte former, førte til en væsentlig reduktion i termisk ledningsevne og en højere Seebeck-koefficient sammenlignet med konventionel bulk SnTe, " bemærker Kim. "Dette er et direkte resultat af de introducerede nanogrænseflader, porer, og fejl, som hjælper med at 'sprede' ellers ensartede vibrationer i SnTe kendt som fononer, som kompromitterer termoelektriske egenskaber, " tilføjer han. ZT for de bedst ydende SnTe nanoark var 1,1 ved en temperatur på 650 °C; det er næsten tre gange højere end for bulk SnTe.

De overordnede resultater af undersøgelsen er meget lovende inden for højtydende termoelektriske materialer, som er bundet til at finde anvendelser ikke kun i energiproduktion, men også køling, aircondition, transport, og endda biomedicinsk udstyr. Lige vigtigt, imidlertid, er indsigten opnået ved at udforske en ny syntesestrategi, som Kim forklarer:"Den ukonventionelle metode, vi brugte til at opnå porøse SnTe nanoplader, kunne være relevant for andre termoelektriske halvledere, såvel som i fremstilling og forskning af porøse og nanostrukturerede materialer til andre formål."

Mest vigtigt, hvor termisk energihøst er den mest efterspurgte anvendelse af termoelektriske materialer, denne undersøgelse kunne hjælpe industrielle processer med at blive mere effektive. Termoelektriske halvledere vil lade os udnytte de store mængder spildvarme, der produceres dagligt, og give nyttig elektrisk energi, og yderligere forskning på dette område forhåbentlig vil bane vejen til et mere miljøvenligt samfund.