En ny guldstandardforbindelse til generering af elektricitet fra varme

Termoelektriske kraftgeneratorer, der laver elektrisk strøm fra spildvarme, ville være et nyttigt værktøj til at reducere drivhusgasemissioner, hvis det ikke var for et meget irriterende problem:Behovet for at skabe elektriske kontakter til deres varme side, som ofte bare er for varmt til materialer, der kan generere en strøm.

Varmen får enheder til at svigte over tid.

Enheder kendt som tværgående termoelektriske apparater undgår dette problem ved at producere en strøm, der løber vinkelret på den ledende enhed, kræver kun kontakter på den kolde ende af generatoren. Selvom det betragtes som en lovende teknologi, de materialer, der vides at skabe denne sidespænding, er upraktisk ineffektive - eller det troede videnskabsmænd.

Ohio State University forskere viser i en ny undersøgelse, at et enkelt materiale, en lagdelt krystal bestående af grundstofferne rhenium og silicium, viser sig at være guldstandarden for tværgående termoelektriske enheder.

Forskerne demonstrerede, at denne enkelt forbindelse fungerer som en meget effektiv termoelektrisk generator på grund af en sjælden egenskab:Samtidig bærer både positive og negative ladninger, der kan bevæge sig uafhængigt i stedet for at køre parallelt med hinanden, hvilket tvinger dem til at zig-zagge sig vej til kontakterne for at generere en elektrisk strøm.

Ved at bygge en termoelektrisk generator med en krystal på cirka to centimeter lang, forskerne fastslog også, at når krystallen er placeret i en bestemt vinkel i enheden, den kan give en imponerende mængde kraft.

"Vi viste, at disse materialer er lige så effektive som konventionel termoelektrisk generatorteknologi, men overvinde sine store ulemper, "sagde studieforfatter Joshua Goldberger, professor i kemi og biokemi ved Ohio State.

"Dette er første gang, at denne type enhed nogensinde har vist sig at være gennemførlig. Med effektiviteter, der er størrelsesordener højere end nogen tidligere tværgående enhed, denne forbindelse er lige så god som det, du kan købe kommercielt, men lover at være meget enklere og mere pålidelig. "

Forskningen offentliggøres online i tidsskriftet Energi- og miljøvidenskab .

Mens 97 % af energien genereres fra varme, vi smider mest varme væk, lade det slippe væk fra røgstakke, bilers udstødningsrør og lignende.

"Spildvarme er virkelig vigtigt. For evigt og altid har der været en søgen efter at forbedre effektiviteten af ​​alle motorer, der laver strøm fra varme - den mængde arbejde, du kan få ud af dem, som du kan bruge, "sagde studieforfatteren Joseph Heremans, professor i maskin- og rumfartsteknik og Ohio Eminent Scholar i nanoteknologi i Ohio State.

"I lang tid, Vi har drømt om at finde små motorer, der ikke ville have bevægelige dele, der kan tage varme og lave elektricitet. "

Og nu har de.

De fleste materialer udfører kun én type ladning, får de fleste termoelektriske enheder til at være sammensat af flere forbindelser - alligevel har kompleksiteten i at skabe kontakter til dem hæmmet bestræbelserne på at bygge en effektiv og effektiv termoelektrisk generator, der er let at konstruere og kan modstå høje temperaturer.

To år siden, dette forskerhold opdagede uventede egenskaber i en anden forbindelse, der tillod elektroner og huller, kilderne til de negative og positive ladninger, henholdsvis, der genererer en elektrisk strøm, at køre langs, hvad der kunne ligne en nord-sydgående motorvej for den ene afgift og en øst-vest motorvej for den anden.

Efter den opdagelse, forskerne finkæmpede eksisterende forskning på andre krystaller, som andre forskere havde fundet ud af at gøre det samme.

"Vi blev interesseret i dette, fordi i starten vi vidste ikke, at det kunne eksistere. Da vi fandt ud af, at det kunne eksistere, vi har virkelig presset på for at finde disse materialer, " sagde Goldberger. Til dato, de har eksperimentelt bekræftet 15 materialer med disse egenskaber – ud af de over 110, 000 krystalstrukturer opdaget og katalogiseret i en international database.

"Nogle få blev opdaget, men ingen blev udnyttet til funktionalitet. Det, vi har fundet ud af, er, at vi faktisk kan gøre noget med det, sagde Wolfgang Windl, professor i materialevidenskab og teknik ved Ohio State og medforfatter af undersøgelsen.

"Alt, vi skal gøre, er at sætte ledninger i den ene ende og orientere krystallen på en bestemt måde, og pludselig har vi en strømgenerator uden bevægelige dele. Og du gør det varmt med den spildvarme, du har i dit hjem, bil eller raket, og dette vil generere emissionsfri strøm helt af sig selv og stort set uendeligt. Det er lidt som sort magi for mig."

Teoretisk set, en generator lavet med denne forbindelse kan tages i brug ethvert sted, der genereres varme - størrelsen af ​​krystallen kan variere, og i denne undersøgelse var dikteret af størrelsen af ​​den ovn, hvori den blev dyrket.

Heremans sagde, at generatoren kunne producere nok elektricitet fra bilens udstødning til at drive køretøjet fremad, men han går ind for ideen om at bruge denne teknologi i mindre skala:"De mindre applikationer er, hvor komplekse løsninger ikke er velkomne, fordi de er for dyre, " sagde han. "Det er der, en simpel løsning som denne nok er bedst."