Forskere finder nyt højeffektivt termoelektrisk materiale

University of Houston fysikere har opdaget et nyt termoelektrisk materiale, der tilbyder høj ydeevne ved temperaturer fra stuetemperatur op til 300 grader Celsius, eller omkring 573 grader Fahrenheit.

"Dette nye materiale er bedre end det traditionelle materiale, Bismuth telluride, og kan bruges til spildvarmekonvertering til elektricitet meget mere effektivt, " sagde Zhifeng Ren, M.D. Anderson Chair professor i fysik ved UH og hovedforfatter af et papir, der beskriver opdagelsen, udgivet online af Nano energi .

Ren, som også er hovedefterforsker ved Texas Center for Superconductivity på UH, sagde, at arbejdet kunne være vigtigt for forskning i ren energi og kommercialisering ved temperaturer på omkring 300 grader Celsius.

Bismuthtellurid har været standard termoelektrisk materiale siden 1950'erne og bruges primært til køling, selvom den også kan bruges ved temperaturer op til 250 C, eller 482 F, til elproduktion, med begrænset effektivitet.

Til denne opdagelse, Ren og andre medlemmer af hans laboratorium brugte en kombination af magnesium, sølv og antimon til at generere elektricitet fra varme ved hjælp af det termoelektriske princip. De tilføjede en lille mængde nikkel, hvorefter Ren sagde, at forbindelsen virkede endnu bedre.

Arbejdet er udført i samarbejde med forskere fra UH Department of Chemistry og Massachusetts Institute of Technology. Huaizhou Zhao og Jiehe Sui, et medlem af Rens laboratorium, hvis hjemmeinstitut er Harbin Institute of Technology i Kina, var primære bidragydere; Zhao er nu forsker ved Institut for Fysik med det kinesiske videnskabsakademi.

Materialet fungerer godt op til 300 C, Ren sagde; arbejdet med at forbedre effektiviteten er i gang.

Potentialet for at opfange varme – fra kraftværker, industrielle skorstene og endda udstødningsrør til køretøjer – og det er enormt at konvertere det til elektricitet, gør det muligt at bruge varme, der i øjeblikket er spildt, til at generere strøm. Ren sagde, at temperaturen der kan variere fra 200 C til 1, 000 C, og indtil nu, der har ikke været et termoelektrisk materiale, der er i stand til at fungere, når først forholdene kommer ud over de lavere varmeniveauer. Meget af efterspørgslen spænder fra 250 C til 300 C, han sagde.

Ren har længe arbejdet med termoelektrik, blandt andre videnskabelige områder. Hans forskergruppe publicerede en artikel i tidsskriftet Videnskab i 2008 ved at fastslå, at effektiviteten – det tekniske udtryk er "værdien" – af Bismuth telluride kunne øges så meget som 20 procent ved at ændre, hvordan det behandles. På det tidspunkt, Ren var på Boston College.

Og hans laboratorium udgav sidste sommer et papir i Proceedings of the National Academy of Sciences etablering af tintellurid med tilsætning af det kemiske grundstof indium som et materiale, der er i stand til at omdanne spildvarme til elektricitet. Men tintellurid fungerer bedst ved temperaturer højere end omkring 300 C, eller omkring 573 F, hvilket gør det vigtigt at fortsætte med at lede efter et andet materiale, der fungerer ved lavere temperaturer.

Rens gruppe er ikke den første til at studere det nye materiale, som ikke er blevet navngivet, men omtales i Nano energi papir som blot MgAgSb-baserede materialer, ved at bruge de kemiske navne for de grundstoffer, der blev brugt til at skabe det. Avisen citerer arbejde udført i 2012 af M.J. Kirkham, et al; det arbejde brugte magnesium, sølv og antimon i lige dele, Ren sagde, men resulterede i urenheder og dårlige ledende egenskaber.

Han sagde, at hans laboratorium fandt ud af at bruge lidt mindre sølv og antimon, og blande elementerne separat - sætte magnesium og sølv først i kuglefræsningsprocessen, tilsætning af antimon efter flere timer – eliminerede urenhederne og forbedrede de termoelektriske egenskaber markant.

"Vi havde meget forskellige kvaliteter, sagde han. Bedre, uden urenheder, og mindre kornstørrelse, sammen med meget bedre termoelektriske egenskaber."