Ingeniører laver lovende nye varmehøstede nanomaterialer i mikrobølgeovn

(PhysOrg.com) - Spildvarme er et biprodukt af næsten alle elektriske apparater og industrielle processer, fra at køre bil til at flyve med et fly eller betjene et kraftværk. Ingeniørforskere ved Rensselaer Polytechnic Institute har udviklet nye nanomaterialer, der kan føre til teknikker til bedre at fange og få denne spildvarme til at fungere. De vigtigste ingredienser til fremstilling af pellets i marmorstørrelse af det nye materiale er aluminium og en almindelig, daglig mikrobølgeovn.

Høstning af elektricitet fra spildvarme kræver et materiale, der er godt til at lede elektricitet, men dårligt til at lede varme. En af de mest lovende kandidater til dette job er zinkoxid, en ikke -toksisk, billigt materiale med et højt smeltepunkt. Mens der findes nanoengineeringsteknikker til at øge zinkoxids elektriske ledningsevne, materialets høje varmeledningsevne er en vejspærring for dets effektivitet i opsamling og omdannelse af spildvarme. Fordi termisk og elektrisk ledningsevne er relaterede egenskaber, det er meget svært at reducere det ene uden også at reducere det andet.

Imidlertid, et team af forskere under ledelse af Ganpati Ramanath, professor i afdelingen for materialevidenskab og teknik ved Rensselaer, i samarbejde med University of Wollongong, Australien, har vist en ny måde at reducere zinkoxids varmeledningsevne uden at reducere dets elektriske ledningsevne. Innovationen indebærer at tilføje små mængder aluminium til zinkoxid, og forarbejdning af materialerne i en mikrobølgeovn. Processen er tilpasset fra en teknik opfundet på Rensselaer af Ramanath, kandidatstuderende Rutvik Mehta, og Theo Borca-Tasciuc, lektor i Institut for Mekanik, Luftfart, og atomteknik (MANE). Dette arbejde kan åbne døren for nye teknologier til høst af spildvarme og skabe meget energieffektive biler, fly, kraftværker, og andre systemer.

”Høst af spildvarme er et meget attraktivt forslag, da vi kan konvertere varmen til elektricitet og bruge den til at drive enheder - som i en bil eller en jet - der skaber varmen i første omgang. Dette ville føre til større effektivitet i næsten alt, hvad vi gør, og ultimativt, reducere vores afhængighed af fossile brændstoffer, ”Sagde Ramanath. "Vi er de første til at demonstrere sådanne gunstige termoelektriske egenskaber i bulk-store højtemperaturmaterialer, og vi føler, at vores opdagelse vil bane vejen til nye kraftudtagningsanordninger fra spildvarme. ”

Resultaterne af undersøgelsen er detaljeret i papiret “Al-dopede zinkoxid-nanokompositter med forbedrede termoelektriske egenskaber, ”Udgivet for nylig af tidsskriftet Nano bogstaver . Se avisen online på:pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl202439h

For at oprette det nye nanomateriale, forskere tilføjede små mængder aluminium til formkontrollerede nanokrystaller af zinkoxid, og opvarmede dem i en mikrobølgeovn på $ 40. Ramanaths team er i stand til at producere flere gram af nanomaterialet på få minutter, hvilket er nok til at lave en enhed, der måler et par centimeter lang. Processen er billigere og mere skalerbar end konventionelle metoder og er miljøvenlig, Sagde Ramanath. I modsætning til mange nanomaterialer, der er fremstillet direkte på et substrat eller en overflade, denne nye mikrobølge metode kan producere pellets af nanomaterialer, der kan påføres forskellige overflader. Disse attributter, sammen med lav varmeledningsevne og høj elektrisk ledningsevne, er særdeles velegnede til varmehøstningsapplikationer.

”Vores opdagelse kan være nøglen til at overvinde store fundamentale udfordringer i forbindelse med arbejde med termoelektriske materialer, ”Sagde projektsamarbejder Borca-Tasciuc. “Desuden vores proces er egnet til skalering for storstilet produktion. Det er virkelig fantastisk, at et par atomer af aluminium kan sammensværge for at give os termoelektriske egenskaber, vi er interesserede i. ”