Nano-engineering øger effektiviteten af ​​materialer, der omdanner spildvarme til elektrisk energi

Højtydende termoelektriske materialer, der omdanner spildvarme til elektricitet, kan en dag blive en kilde til mere bæredygtig energi. Men de skal være meget mere effektive, før de kan være effektive i bred skala på steder som kraftværker eller militærbaser, siger forskere.

En forsker fra University of Michigan har taget et skridt hen imod det mål. Ved at konstruere et halvledende materiale på niveau med dets individuelle atomer, Pierre Ferdinand P. Poudeu, assisterende professor i materialevidenskab og teknik, har øget sin evne til at omdanne varme til strøm med 200 procent og dens elektriske ledningsevne med 43 procent. Det er en vigtig kombination. At forbedre begge disse tal på samme tid er en stor udfordring for forskere, der arbejder på området.

Materialet Poudeu brugte er en legering af titanium, zirkonium, nikkel og tin. Selvom det ikke er et særligt effektivt termoelektrisk materiale på dette tidspunkt, Poudeu siger, at det var et godt testbed.

"Dette koncept er nyt og spændende, " sagde Poudeu. "Vi mener, at det også kan tilpasses til andre materialer og bane vejen for forbedrede termoelektriske materialer beregnet til højtydende energikonverteringsapplikationer.

"Hvis vi vil bygge generatorer, der omdanner spildvarme til elektricitet, og som er i stand til at erstatte den nuværende teknologi, termoelektriske materialer med meget højere effektivitet skal opdages. Vi bliver nødt til at fordoble den effektivitet, der typisk opnås i dag."

Poudeu siger, at hans nano-tekniske tilgang kunne opnå disse gevinster, hvis den kan bruges i nuværende førende termoelektriske materialesystemer.

Hans strategi adskiller sig fra almindelige kemikaliebaserede teknikker såsom doping, hvor forskere tilføjer urenheder til et værtsmateriale for at ændre dets elektroniske egenskaber og gøre det mere ledende. I termoelektriske materialer, doping kan virke imod sig selv, imidlertid, fordi urenhederne kan hæmme varme-til-el-omdannelsen.

I stedet for at tilføje urenheder, som typisk er fremmede kemiske grundstoffer, Poudeu introducerede yderligere individuelle atomer af nikkel - et af de grundstoffer, der allerede er i materialet. Nikkelatomerne fandt vej ind i værtsmaterialets krystalstruktur og udfyldte en lille brøkdel af dets ledige atomare steder. De dannede, hvad Poudeu beskriver som kvanteprikker - nanoskalastrukturer, der følger kvantelovene, snarere end klassisk, fysik.

Strukturerne er så små, du skal stille en million i kø for at kunne se dem uden et mikroskop, siger Poudeu.

Kvanteprikkerne fungerer som fælder, blokere lavenergielektroner i at reducere konverteringseffektiviteten, mens der skabes en vej for højere energielektroner at passere igennem som elektrisk strøm. Tilføjelsen af ​​kvantepunkterne i en bulk-halvleder resulterer i et nyt materiale med en distinkt elektronisk struktur, siger Poudeu.

Artiklen har titlen "Store forbedringer af termokraft og transportørmobilitet i Quantum Dot Engineered Bulk Semiconductors." Den udgives online i Journal of the American Chemical Society og vil udkomme i en kommende trykt udgave.