قدرت بیشتر از گرمای هدر رفته

قدرت بیشتر از گرمای هدر رفته

تمبر زمان: 29 آوریل 2023 ساعت 4:22 صبح
گره منبع: 2617004
29 آوریل 2023 (اخبار نانوورکهنگامی که سوخت های فسیلی و همچنین سوخت های زیستی سوزانده می شوند، مقادیر زیادی از انرژی به عنوان گرمای اتلاف از بین می رود. مواد ترموالکتریک می توانند این گرما را به الکتریسیته تبدیل کنند، اما هنوز برای کاربردهای فنی کارایی کافی ندارند. تیمی از موسسه Max Planck Für Eisenforschung اکنون با روشن کردن تأثیر ریزساختار بر روی ماده و بهینه‌سازی خواص مواد با افزودن تیتانیوم، کارایی یک ماده ترموالکتریک را افزایش داده‌اند. شیمی و آرایش اتمی فازهای مرزی، انتقال الکترون را از طریق مرزهای دانه مشخص می کند. شیمی و آرایش اتمی فازهای مرزی، انتقال الکترون را از طریق مرزهای دانه مشخص می کند. فاز مرزی دانه غنی از تیتانیوم یک مسیر رسانا را فراهم می کند (سمت چپ) در حالی که فاز مرزی دانه غنی از آهن در برابر الکترون ها مقاوم است (راست). (تصویر: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) بحران آب و هوا ما را مجبور می کند نه تنها سوخت های فسیلی را حذف کنیم، بلکه در مصرف انرژی نیز صرفه جویی کنیم. به خصوص در جایی که سوخت‌های فسیلی هنوز نمی‌توانند به این سرعت جایگزین شوند، حداقل باید به طور کارآمد از آنها استفاده کرد - برای مثال، با تولید برق از گرمای اتلاف نیروگاه‌های صنعتی یا نیروگاه‌های انرژی بر. در حال حاضر حدود 17 درصد از انرژی مورد استفاده در صنعت اروپا به عنوان گرمای هدر می رود. می توان آن را با کمک مواد ترموالکتریک مهار کرد. در چنین ترموالکتریک ها، زمانی که در معرض اختلاف دما قرار می گیرند، ولتاژ الکتریکی ایجاد می شود. با این حال، ترموالکتریک های فعلی به اندازه کافی کارآمد نیستند که در مقیاس صنعتی بزرگ مورد استفاده قرار گیرند. یک تیم تحقیقاتی به رهبری مؤسسه ماکس پلانک مستقر در دوسلدورف برای Eisenforschung اکنون موفق به بهینه سازی یک ترموالکتریک شده است، زیرا مواد در اصطلاحات فنی شناخته می شوند و بنابراین به استفاده صنعتی نزدیک می شوند. این تیم یافته های خود را در مجله منتشر کرد مواد پیشرفته انرژی ("فازهای مرزی دانه در آلیاژهای نیمه هوسلر NbFeSb: یک راه جدید برای تنظیم خواص انتقال مواد ترموالکتریک"). این تیم آلیاژی از نیوبیم، آهن و آنتیموان را مورد مطالعه قرار دادند که گرمای اتلاف را در دماهای بین 70 تا بیش از 700 درجه سانتیگراد با بازده هشت درصد به الکتریسیته تبدیل می کند و این آلیاژ را در حال حاضر به یکی از کارآمدترین ترموالکتریک ها تبدیل می کند. فقط یک ماده ساخته شده از بیسموت و تلوریم به مقادیر مشابهی دست می یابد. با این حال، بیسموت تلورید فقط برای استفاده در دماهای نسبتا پایین مناسب است و از نظر مکانیکی پایداری کمتری نسبت به ترموالکتریک ساخته شده از نیوبیم، آهن و آنتیموان دارد. علاوه بر این، مواد تشکیل دهنده آن کمتر در دسترس هستند.

تیتانیوم هدایت الکتریکی را بهبود می بخشد

برای افزایش بیشتر کارایی ترموالکتریک ساخته شده از نیوبیم، آهن و آنتیموان، محققان بر روی ریزساختار آن تمرکز کردند. مانند بیشتر فلزات، مواد ترموالکتریک از کریستال های ریز تشکیل شده اند. ترکیب و ساختار دانه ها و همچنین ویژگی های فضاهای بین آنها که به عنوان مرز دانه شناخته می شوند، برای هدایت حرارتی و الکتریکی مواد ترموالکتریک بسیار مهم هستند. تحقیقات قبلی نشان داده است که مرزهای دانه ها رسانایی حرارتی و الکتریکی مواد را کاهش می دهند. برای بالاترین راندمان ممکن، هدایت حرارتی باید تا حد امکان کم باشد تا گرما، یعنی انرژی در ماده باقی بماند. با این حال، رسانایی الکتریکی باید بالا باشد تا گرما تا حد ممکن به الکتریسیته تبدیل شود. بنابراین هدف تیمی از موسسه Max Planck Für Eisenforschung، دانشگاه نورث وسترن (ایالات متحده آمریکا) و موسسه تحقیقات مواد و حالت جامد Leibniz در درسدن این بود که مرزهای دانه را به گونه‌ای بهینه کنند که فقط هدایت حرارتی کاهش یابد. رسانایی الکتریکی نیست روبن بوئنو ویلورو، دانشجوی دکترا در موسسه Max Planck für Eisenforschung می‌گوید: ما از میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری روبشی و پروب‌های اتمی برای مطالعه ریزساختار آلیاژ تا سطح اتمی استفاده کردیم. "تحلیل ما نشان داده است که مرزهای دانه باید بهینه شود تا خواص الکتریکی و حرارتی بهبود یابد." سیوان ژانگ، رهبر پروژه در همان گروه تحقیقاتی توضیح می‌دهد: «هرچه دانه‌های ماده کوچک‌تر باشد، تعداد مرزهای دانه‌ها بیشتر و رسانایی الکتریکی بدتر است». «افزایش اندازه دانه‌ها در مواد منطقی نیست، زیرا دانه‌های بزرگتر هدایت حرارتی را افزایش می‌دهند و گرما و در نتیجه انرژی را از دست می‌دهیم. بنابراین، ما باید راهی برای افزایش رسانایی الکتریکی با وجود دانه‌های ریز پیدا می‌کردیم.» محققان این مشکل را با غنی سازی ماده با تیتانیوم حل کردند، که از جمله موارد دیگر، در مرزهای دانه تجمع می یابد و رسانایی الکتریکی را افزایش می دهد. به این ترتیب راندمان ترموالکتریک آلیاژ را تا 40 درصد افزایش دادند. با این حال، برای کاربردهای عملی، راندمان باید به میزان قابل توجهی افزایش یابد.

مرحله بعدی: غنی سازی انتخابی تیتانیوم در مرزهای دانه

اکنون تیم تحقیقاتی در حال تجزیه و تحلیل روش هایی برای افزودن انتخابی تیتانیوم تنها به مرز دانه ها بدون غنی سازی کل ماده با تیتانیوم هستند. این استراتژی باعث صرفه جویی در هزینه ها شده و تا حد زیادی ترکیب شیمیایی اصلی مواد ترموالکتریک را حفظ می کند. تحقیقات کنونی نشان می‌دهد که چگونه می‌توان ویژگی‌های عملکردی را به ساختار اتمی یک ماده برای بهینه‌سازی خواص خاص مرتبط کرد.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک