Nyt materiale tilbyder en miljøvenlig løsning til at omdanne spildvarme til energi

vedholdenhed, NASAs 2020 Mars rover, er drevet af noget meget ønskværdigt her på Jorden:en termoelektrisk enhed, som omdanner varme til nyttig elektricitet.

På Mars, varmekilden er det radioaktive henfald af plutonium, og enhedens konverteringseffektivitet er 4-5%. Det er godt nok til at drive Perseverance og dets operationer, men ikke helt godt nok til applikationer på Jorden.

Et team af videnskabsmænd fra Northwestern University og Seoul National University i Korea har nu demonstreret et højtydende termoelektrisk materiale i en praktisk form, der kan bruges til udvikling af enheder. Materialet - renset tinselenid i polykrystallinsk form - udkonkurrerer enkeltkrystalformen ved at omdanne varme til elektricitet, gør det til det mest effektive termoelektriske system nogensinde. Forskerne var i stand til at opnå den høje konverteringsrate efter at have identificeret og fjernet et oxidationsproblem, der havde forringet ydeevnen i tidligere undersøgelser.

Det polykrystallinske tinselenid kunne udvikles til brug i faststof termoelektriske enheder i en række forskellige industrier, med potentielt enorme energibesparelser. Et vigtigt applikationsmål er at opfange industriel spildvarme - såsom fra kraftværker, bilindustrien og glas- og murstensfabrikker - og omdanne det til elektricitet. Mere end 65 % af den energi, der produceres globalt fra fossile brændstoffer, går tabt som spildvarme.

"Termoelektriske enheder er i brug, men kun i nicheapplikationer, som i Mars-roveren, " sagde Northwesterns Mercouri Kanatzidis, en kemiker, der har specialiseret sig i design af nye materialer. "Disse enheder har ikke fanget som solceller, og der er betydelige udfordringer ved at lave gode. Vi fokuserer på at udvikle et materiale, der ville være billigt og høj ydeevne og drive termoelektriske enheder til mere udbredt anvendelse."

Kanatzidis, Charles E. og Emma H. ​​Morrison professor i kemi ved Weinberg College of Arts and Sciences, er en medkorresponderende forfatter til undersøgelsen. Han har en fælles aftale med ArgonneNational Laboratory.

Detaljer om det termoelektriske materiale og dets rekordhøje ydeevne vil blive offentliggjort den 2. august i tidsskriftet Naturmaterialer .

I Chung fra Seoul National University er papirets anden medkorresponderende forfatter. Vinayak Dravid, Abraham Harris professor i materialevidenskab og teknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering, er en af ​​undersøgelsens seniorforfattere. Dravid er mangeårig samarbejdspartner for Kanatzidis'.

Termoelektriske enheder er allerede veldefinerede, siger Kanatzidis, men det, der får dem til at fungere godt eller ej, er det termoelektriske materiale indeni. Den ene side af enheden er varm og den anden side kold. Det termoelektriske materiale ligger i midten. Varmen strømmer gennem materialet, og noget af varmen omdannes til elektricitet, som forlader enheden via ledninger.

Materialet skal have ekstremt lav termisk ledningsevne, samtidig med at det bevarer en god elektrisk ledningsevne for at være effektiv ved konvertering af spildvarme. Og fordi varmekilden kunne være så høj som 400-500 grader Celsius, materialet skal være stabilt ved meget høje temperaturer. Disse udfordringer og andre gør termoelektriske enheder sværere at producere end solceller.

'Der skete noget djævelskt'

I 2014 Kanatzidis og hans team rapporterede om opdagelsen af ​​et overraskende materiale, der var det bedste i verden til at omdanne spildvarme til nyttig elektricitet:krystalformen af ​​den kemiske forbindelse tin selenid. Mens en vigtig opdagelse, enkeltkrystalformen er upraktisk til masseproduktion på grund af dens skrøbelighed og tendens til at flage.

Tinselenid i polykrystallinsk form, som er stærkere og kan skæres og formes til applikationer, var tiltrængt, så forskerne vendte sig til at studere materialet i den form. I en ubehagelig overraskelse, de fandt, at materialets varmeledningsevne var høj, ikke det ønskelige lave niveau, der findes i enkeltkrystalformen.

"Vi indså, at noget djævelsk var ved at ske, " sagde Kanatzidis. "Forventningen var, at tinselenid i polykrystallinsk form ikke ville have høj varmeledningsevne, men det gjorde det. Vi havde et problem."

Ved nærmere undersøgelse, forskerne opdagede en hud af oxideret tin på materialet. Varmen strømmede gennem den ledende hud, øge den termiske ledningsevne, hvilket er uønsket i en termoelektrisk enhed.

En løsning er fundet, åbne døre

Efter at have lært, at oxidationen kom fra både selve processen og udgangsmaterialerne, det koreanske hold fandt en måde at fjerne ilten på. Forskerne kunne derefter producere tin selenid pellets uden ilt, som de så testede.

Den sande termiske ledningsevne af den polykrystallinske form blev målt og fundet at være lavere, som oprindeligt forventet. Dens ydeevne som en termoelektrisk enhed, omdannelse af varme til elektricitet, oversteg den for enkeltkrystalformen, gør det til det mest effektive nogensinde.

Effektiviteten af ​​spildvarmekonvertering i termoelektrik afspejles af dens "værdi af værdi, " et tal kaldet ZT. Jo højere tal, jo bedre konverteringsrate. ZT for enkelt-krystal tin selenid blev tidligere fundet at være ca. 2,2 til 2,6 ved 913 Kelvin. I denne nye undersøgelse, forskerne fandt, at det rensede tinselenid i polykrystallinsk form havde en ZT på ca. 3,1 ved 783 Kelvin. Dens varmeledningsevne var ultralav, lavere end enkeltkrystallerne.

"Dette åbner døren for nye enheder, der kan bygges af polykrystallinske tinselenid-pellets og deres applikationer undersøges, " sagde Kanatzidis.

Northwestern ejer den intellektuelle ejendomsret til tinselenidmaterialet. Potentielle anvendelsesområder for det termoelektriske materiale omfatter bilindustrien (en betydelig mængde af benzinens potentielle energi går ud af et køretøjs udstødningsrør), tunge fremstillingsindustrier (såsom glas- og murstensfremstilling, raffinaderier, kul- og gasfyrede kraftværker) og steder, hvor store forbrændingsmotorer kører kontinuerligt (såsom i store skibe og tankskibe).

Titlen på papiret er "Polykrystallinsk SnSe med en termoelektrisk værdi, der er større end enkeltkrystallen."