Enemmän tehoa hukkalämmöstä

Enemmän tehoa hukkalämmöstä

Aikaleima: 29. huhtikuuta 2023 4
Lähdesolmu: 2617004
29. huhtikuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Kun poltetaan fossiilisia polttoaineita, mutta myös biopolttoaineita, suuria määriä energiaa menetetään hukkalämmönä. Lämpösähköiset materiaalit voisivat muuttaa tämän lämmön sähköksi, mutta ne eivät ole vielä tarpeeksi tehokkaita tekniseen käyttöön. Max Planck Institut für Eisenforschungin tiimi on nyt lisännyt lämpösähköisen materiaalin tehokkuutta selvittämällä mikrorakenteen vaikutusta materiaaliin ja optimoimalla materiaalin ominaisuuksia lisäämällä titaania. Raerajafaasien kemia ja atomijärjestys määrittelevät elektronien kuljetuksen raerajojen läpi Raerajafaasien kemia ja atomijärjestys määräävät elektronien kuljetuksen raerajojen läpi. Titaanipitoinen raerajafaasi tarjoaa johtavan polun (vasemmalla), kun taas rautaa sisältävä raerajafaasi on vastustuskykyinen elektroneille (oikealla). (Kuva: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Ilmastokriisi pakottaa meidät paitsi luopumaan fossiilisten polttoaineiden käytöstä, myös säästämään energiaa. Varsinkin siellä, missä fossiilisia polttoaineita ei vielä voida vaihtaa niin nopeasti, ne tulisi ainakin käyttää tehokkaasti – esimerkiksi tuottamalla sähköä energiaintensiivisten teollisuuslaitosten tai voimalaitosten hukkalämmöstä. Tällä hetkellä noin 17 prosenttia Euroopan teollisuudessa käytetystä energiasta häviää hukkalämmönä. Se voidaan valjastaa lämpösähköisten materiaalien avulla. Tällaisissa lämpösähköissä sähköjännite syntyy, kun ne altistetaan lämpötilaerolle. Nykyiset lämpösähkölaitteet eivät kuitenkaan ole tarpeeksi tehokkaita käytettäväksi suuressa teollisessa mittakaavassa. Düsseldorfilaisen Max Planck Institut für Eisenforschungin johtama tutkimusryhmä on nyt onnistunut optimoimaan lämpösähköisen materiaalin, sillä materiaalit tunnetaan teknisessä ammattikielessä ja ovat siten lähempänä teollista käyttöä. Ryhmä julkaisi havaintonsa lehdessä Edistyneet energiamateriaalit ("Raerajavaiheet NbFeSb-puoli-Heusler-seoksissa: Uusi tapa säätää lämpösähköisten materiaalien kuljetusominaisuuksia"). Ryhmä tutki niobiumin, raudan ja antimonin seosta, joka muuntaa hukkalämmön sähköksi lämpötiloissa, jotka vaihtelevat noin 70 - yli 700 celsiusasteessa kahdeksan prosentin hyötysuhteella, mikä tekee seoksesta tällä hetkellä yhden tehokkaimmista lämpösähköistä. Vain vismutista ja telluurista valmistettu materiaali saavuttaa samanlaiset arvot. Vismuttitelluridi soveltuu kuitenkin käytettäväksi vain suhteellisen alhaisissa lämpötiloissa ja on mekaanisesti vähemmän stabiili kuin niobiumista, raudasta ja antimonista valmistettu lämpösähkö. Lisäksi sen aineosat ovat vähemmän helposti saatavilla.

Titaani parantaa sähkönjohtavuutta

Niobiumista, raudasta ja antimonista valmistetun lämpösähkön tehokkuuden lisäämiseksi edelleen tutkijat keskittyivät sen mikrorakenteeseen. Kuten useimmat metallit, lämpösähköiset materiaalit koostuvat pienistä kiteistä. Rakeiden koostumus ja rakenne sekä niiden välisten tilojen ominaisuudet, jotka tunnetaan raerajoina, ovat tärkeitä lämpösähköisten materiaalien lämmön- ja sähkönjohtavuudelle. Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että raeraajat vähentävät sekä materiaalin lämmön- että sähkönjohtavuutta. Parhaan mahdollisen hyötysuhteen saavuttamiseksi lämmönjohtavuuden tulee olla mahdollisimman alhainen, jotta lämpö eli energia pysyy materiaalissa. Sähkönjohtavuuden tulee kuitenkin olla korkea, jotta mahdollisimman paljon lämpöä muunnetaan sähköksi. Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) ja Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresdenin tiimin tavoitteena oli siksi optimoida raeraajat siten, että vain lämmönjohtavuus pienenee, mutta ei sähkönjohtavuus. "Käytimme pyyhkäisyläpäisyelektronimikroskooppeja ja atomikoettimia tutkiaksemme lejeeringin mikrorakennetta atomitasolle asti", sanoo Ruben Bueno Villoro, tohtoriopiskelija Max Planck Institut für Eisenforschungista. "Analyysimme on osoittanut, että raeraajat on optimoitava sähköisten ja lämpöominaisuuksien parantamiseksi." "Mitä pienemmät rakeet materiaalissa ovat, sitä suurempi on raerajojen lukumäärä ja sitä huonompi sähkönjohtavuus", selittää Siyuan Zhang, saman tutkimusryhmän projektijohtaja. ”Ei ole järkevää kasvattaa materiaalin rakeiden kokoa, koska suuremmat rakeet lisäisivät lämmönjohtavuutta ja menetämme lämpöä ja siten energiaa. Siksi meidän oli löydettävä tapa lisätä sähkönjohtavuutta pienistä rakeista huolimatta. Tutkijat ratkaisivat ongelman rikastamalla materiaalia titaanilla, joka muun muassa kerääntyy raerajoille ja lisää sähkönjohtavuutta. Tällä tavalla ne lisäsivät lejeeringin lämpösähköistä hyötysuhdetta jopa 40 prosenttia. Käytännön sovelluksissa tehokkuutta on kuitenkin vielä lisättävä merkittävästi.

Seuraava vaihe: titaanin valikoiva rikastus raerajoilla

Nyt tutkimusryhmä analysoi tapoja lisätä titaania valikoivasti vain raerajoihin rikastamatta koko materiaalia titaanilla. Tämä strategia säästää kustannuksia ja säilyttää suurelta osin lämpösähköisen materiaalin alkuperäisen kemiallisen koostumuksen. Nykyinen tutkimus osoittaa, kuinka toiminnalliset ominaisuudet voidaan liittää materiaalin atomirakenteeseen tiettyjen ominaisuuksien optimoimiseksi.

Aikaleima:

Lisää aiheesta Nanowerk