Rohkem energiat heitsoojusest

Rohkem energiat heitsoojusest

Ajatempel: 29. aprill 2023 kell 4:22
Allikasõlm: 2617004
29. aprill 2023 (Nanowerki uudised) Fossiilkütuste, aga ka biokütuste põletamisel läheb suur hulk energiat jääksoojuse kaduma. Termoelektrilised materjalid võivad muuta selle soojuse elektriks, kuid need ei ole veel tehniliseks kasutamiseks piisavalt tõhusad. Max Planck Institut für Eisenforschungi meeskond on nüüd suurendanud termoelektrilise materjali efektiivsust, selgitades välja mikrostruktuuri mõju materjalile ja optimeerides materjali omadusi titaani lisamisega. Terade piirifaaside keemia ja aatomite paigutus määravad elektronide transpordi läbi terade piiride Terade piirifaaside keemia ja aatomite paigutus määravad elektronide transpordi läbi terade piiride. Titaanirikas terade piirfaas tagab juhtiva tee (vasakul), samas kui rauarikas tera piirfaas on elektronidele vastupidav (paremal). (Pilt: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Kliimakriis sunnib meid mitte ainult järk-järgult loobuma fossiilkütustest, vaid ka säästma energiat. Eriti seal, kus fossiilkütuseid veel nii kiiresti välja vahetada ei suudeta, tuleks neid vähemalt tõhusalt kasutada – näiteks toota elektrit energiamahukate tööstusettevõtete või elektrijaamade heitsoojusest. Praegu läheb umbes 17 protsenti Euroopa tööstuses kasutatavast energiast jääksoojuse kaduma. Seda saab kasutada termoelektriliste materjalide abil. Sellistes termoelektrikutes tekib elektripinge, kui need puutuvad kokku temperatuuride erinevusega. Praegused termoelektrikud ei ole aga piisavalt tõhusad, et neid suures tööstuslikus mastaabis kasutada. Düsseldorfis asuva Max Planck Institut für Eisenforschungi juhitud uurimisrühmal on nüüd õnnestunud termoelektriline optimeerida, kuna materjalid on tehnilises kõnepruugis tuntud ja jõuavad seega tööstuslikule kasutamisele lähemale. Meeskond avaldas oma tulemused ajakirjas Täiustatud energiamaterjalid ("NbFeSb pool-Heusleri sulamite terade piirifaasid: uus viis termoelektriliste materjalide transpordiomaduste häälestamiseks"). Meeskond uuris nioobiumi, raua ja antimoni sulamit, mis muundab jääksoojuse elektriks temperatuuril vahemikus umbes 70 kuni 700 kraadi Celsiuse järgi kaheksaprotsendilise efektiivsusega – muutes sulami praegu üheks kõige tõhusamaks termoelektriks. Sarnased väärtused saavutavad ainult vismutist ja telluurist valmistatud materjal. Vismuttelluriid sobib aga kasutamiseks ainult suhteliselt madalatel temperatuuridel ja on mehaaniliselt vähem stabiilne kui nioobiumist, rauast ja antimonist valmistatud termoelektrik. Lisaks on selle koostisosad vähem kergesti kättesaadavad.

Titaan parandab elektrijuhtivust

Niobiumist, rauast ja antimonist valmistatud termoelektri efektiivsuse edasiseks suurendamiseks keskendusid teadlased selle mikrostruktuurile. Nagu enamik metalle, koosnevad termoelektrilised materjalid pisikestest kristallidest. Termoelektriliste materjalide soojus- ja elektrijuhtivuse seisukohalt on üliolulised terade koostis ja struktuur, samuti nendevaheliste ruumide omadused, mida nimetatakse terapiirideks. Varasemad uuringud on näidanud, et terapiirid vähendavad nii materjali soojus- kui ka elektrijuhtivust. Suurima võimaliku efektiivsuse saavutamiseks peaks soojusjuhtivus olema võimalikult madal, et soojus ehk energia jääks materjali sisse. Elektrijuhtivus peaks aga olema kõrge, et muuta võimalikult palju soojust elektriks. Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) ja Dresdeni Leibnizi Tahkis- ja Materjaliuuringute Instituudi töörühma eesmärk oli seega optimeerida terade piire nii, et väheneks ainult soojusjuhtivus, kuid mitte elektrijuhtivus. "Kasutasime skaneerivaid ülekandeelektronmikroskoope ja aatomisonde, et uurida sulami mikrostruktuuri kuni aatomitasemeni," ütleb Max Plancki Instituudi Eisenforschungi doktorant Ruben Bueno Villoro. "Meie analüüs on näidanud, et elektriliste ja soojuslike omaduste parandamiseks tuleb terade piire optimeerida." "Mida väiksemad on materjali terad, seda suurem on terade piiride arv ja seda halvem on elektrijuhtivus," selgitab sama uurimisrühma projektijuht Siyuan Zhang. “Materjal ei ole mõtet terade suurust suurendada, sest suuremate teradega suureneks soojusjuhtivus ning me kaotaksime soojust ja seega ka energiat. Seetõttu pidime leidma võimaluse elektrijuhtivuse suurendamiseks vaatamata väikestele teradele. Teadlased lahendasid probleemi nii, et rikastasid materjali titaaniga, mis muuhulgas koguneb terade piiridele ja suurendab elektrijuhtivust. Nii suurendasid nad sulami termoelektrilist efektiivsust kuni 40 protsenti. Praktiliste rakenduste jaoks tuleb aga efektiivsust veel oluliselt suurendada.

Järgmine samm: titaani selektiivne rikastamine tera piiridel

Nüüd analüüsib uurimisrühm viise, kuidas lisada titaani valikuliselt ainult terade piiridele, ilma kogu materjali titaaniga rikastamata. See strateegia säästab kulusid ja säilitab suures osas termoelektrilise materjali esialgse keemilise koostise. Praegune uurimus näitab, kuidas funktsionaalseid omadusi saab siduda materjali aatomstruktuuriga, et teatud omadusi konkreetselt optimeerida.

Ajatempel:

Veel alates Nanowerk