Nanokrystal-coatede fibre kan reducere spild af energi

(Phys.org) - Forskere udvikler en teknik, der bruger nanoteknologi til at høste energi fra varme rør eller motorkomponenter til potentielt at genvinde energi spildt på fabrikker, kraftværker og biler.

"Den grimme sandhed er, at 58 procent af den energi, der genereres i USA, spildes som varme, "sagde Yue Wu, en Purdue University assisterende professor i kemiteknik. "Hvis vi kun kunne få 10 procent tilbage, ville det give os mulighed for at reducere energiforbruget og kraftværkets emissioner betydeligt."

Forskere har belagt glasfibre med et nyt "termoelektrisk" materiale, de udviklede. Når termoelektriske materialer opvarmes på den ene side, strømmer elektroner til den køligere side, genererer en elektrisk strøm.

Coatede fibre kan også bruges til at skabe en solid-state køleteknologi, der ikke kræver kompressorer og kemiske kølemidler. Fibrene kan væves ind i et stof for at lave kølende beklædningsgenstande.

Glasfibrene dyppes i en opløsning indeholdende nanokrystaller af blytellurid og udsættes derefter for varme i en proces kaldet annealing for at smelte krystallerne sammen.

Sådanne fibre kunne vikles rundt om industrielle rør på fabrikker og kraftværker, samt på bilmotorer og biludstødningssystemer, at genvinde meget af den spildte energi. "Energy harvesting" teknologien kan dramatisk reducere, hvor meget varme der går tabt, sagde Wu.

Resultaterne blev beskrevet i et forskningspapir, der blev vist i sidste måned i tidsskriftet Nano bogstaver. Papiret blev skrevet af Daxin Liang, en tidligere Purdue-udvekslingsstudent fra Jilin University i Kina; Purdue kandidatstuderende Scott Finefrock og Haoran Yang; og Wu.

Dagens højtydende termoelektriske materialer er sprøde, og enhederne er dannet af store skiver eller blokke.

"Denne form for fremstillingsmetode kræver brug af meget materiale, " sagde Wu.

De nye fleksible enheder ville passe til de uregelmæssige former for motorer og udstødningsrør, mens de brugte en lille brøkdel af det materiale, der kræves til konventionelle termoelektriske enheder.

"Denne tilgang giver det samme niveau af ydeevne som konventionelle termoelektriske materialer, men det kræver brug af meget mindre materiale, hvilket fører til lavere omkostninger og er praktisk til masseproduktion, " sagde Wu.

Den nye tilgang lover en metode, der kan skaleres op til industrielle processer, gør masseproduktion mulig.

"Vi har demonstreret et materiale, der hovedsageligt består af glas med kun en 300 nanometer tyk belægning af blytellurid, " sagde Finefrock. "Så mens nutidens termoelektriske enheder kræver store mængder af det dyre grundstof tellur, vores materiale indeholder kun 5 procent tellur. Vi forestiller os masseproduktion til belægning af fibrene hurtigt i en rulle-til-rulle-proces."

Ud over at generere elektricitet, når de udsættes for varme, materialerne kan også betjenes på en omvendt måde:Påføring af en elektrisk strøm får den til at absorbere varme, repræsenterer en mulig solid state-klimaanlægsmetode. Sådanne fibre kan en dag væves ind i køletøj eller bruges i andre køleteknologier.

Forskerne har vist, at materialet har en lovende termoelektrisk effektivitet, som måles ved hjælp af en formel til at bestemme en måleenhed kaldet ZT. En vigtig del af formlen er "Seebeck -koefficienten, "opkaldt efter det 19. århundredes tyske fysiker Thomas Seebeck, som opdagede den termoelektriske effekt.

ZT er defineret af Seebeck-koefficienten, sammen med materialets elektriske og termiske ledningsevne og andre faktorer. Har en lav varmeledningsevne, en høj Seebeck-koefficient og elektrisk ledningsevne resulterer i et højt ZT-tal.

"Det er svært at optimere alle disse tre parametre samtidigt, for hvis du øger elektrisk ledningsevne, og varmeledningsevnen stiger, Seebeck-koefficienten falder, " sagde Wu.

De fleste termoelektriske materialer til kommerciel brug har en ZT på 1 eller derunder. Imidlertid, nanostrukturerede materialer kan bruges til at reducere varmeledningsevne og øge ZT -tallet.

Purdue-forskerne har brugt ZT-tallet til at beregne den maksimale effektivitet, der teoretisk er mulig med et materiale.

"Vi analyserer den materielle overflod, prisen, toksicitet og ydeevne, og vi etablerede en enkelt parameter kaldet effektivitetsforholdet, " sagde Wu.

Selvom der er udviklet højtydende termoelektriske materialer, materialerne er ikke praktiske til udbredte industrielle anvendelser.

"Dagens højere ydeevne har en kompliceret sammensætning, gør dem dyre og svære at fremstille, " sagde Wu. "Også, de indeholder giftige materialer, som antimon, som begrænser termoelektrisk forskning."

Nanokrystallerne er en kritisk ingrediens, dels fordi grænsefladerne mellem de små krystaller tjener til at undertrykke vibrationen af ​​krystalgitterstrukturen, reducere varmeledningsevne. Materialerne kunne udvise "kvanteindeslutning, "hvor strukturerne er så små, at de opfører sig næsten som individuelle atomer.

"Det betyder at, som elektroner transporterer varme gennem strukturerne, den gennemsnitlige spænding af disse varmebærende elektroner er højere, end den ville være i større strukturer, " sagde Finefrock. "Da du har elektroner med højere spænding, du kan generere mere strøm. "

Denne indespærring kan hæve ZT -tallet.

Der er indgivet en amerikansk patentansøgning for fibercoating-konceptet.

Fremtidigt arbejde kunne fokusere på udglødning ved højere temperaturer for at forbedre effektiviteten, og forskerne udforsker også en anden metode til at eliminere udglødning helt, som måske gør det muligt at belægge polymerfibre i stedet for glas.

"Polymerer kunne væves ind i en bærbar enhed, der kunne være en kølende beklædningsgenstand, " sagde Wu.

Forskerne kan også arbejde hen imod at belægge glasfibrene med en polymer for at forbedre elasticiteten af ​​det termoelektriske materiale, som har tendens til at udvikle små revner, når fibrene bøjes i skarpe vinkler.

Forskere demonstrerede konceptet med et eksperiment, der brugte et system, der indeholder rør med forskellige diametre indlejret inde i et større rør. Varmt vand strømmer gennem et centralt rør og køligere vand strømmer gennem et ydre rør, med et lag termoelektrisk materiale mellem de to.

Purdue -forskerne undersøger også andre materialer i stedet for bly og tellur, som er giftige, og foreløbige resultater tyder på, at disse nye materialer er i stand til en høj ZT-værdi.

"Selvfølgelig, det faktum, at vores proces bruger så lille en mængde materiale – et lag kun 300 nanometer tykt – minimerer toksicitetsproblemet, "Wu sagde." Dog, vi koncentrerer os også om materialer, der er ikke-giftige og rigelige."