Több teljesítmény hulladékhőből

Több teljesítmény hulladékhőből

Időbélyeg: 29. április 2023. 4:22
Forrás csomópont: 2617004
29. április 2023. (Nanowerk News) Amikor a fosszilis tüzelőanyagokat, de a bioüzemanyagokat is elégetik, nagy mennyiségű energia vész el hulladékhőként. A termoelektromos anyagok ezt a hőt elektromos árammá alakíthatnák, de még nem elég hatékonyak a műszaki alkalmazáshoz. A Max Planck Institut für Eisenforschung csapata most növelte a termoelektromos anyagok hatékonyságát azáltal, hogy feltárta a mikroszerkezet anyagra gyakorolt ​​hatását, és titán hozzáadásával optimalizálta az anyag tulajdonságait. A szemcsehatárfázisok kémiája és atomi elrendezése határozza meg az elektronszállítást a szemcsehatárokon keresztül A szemcsehatárfázisok kémiája és atomi elrendezése határozza meg az elektronszállítást a szemcsehatárokon keresztül. A titánban gazdag szemcsehatárfázis vezető utat biztosít (balra), míg a vasban gazdag szemcsehatárfázis rezisztens az elektronokkal szemben (jobbra). (Kép: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) A klímaválság nemcsak a fosszilis tüzelőanyagok kivonására kényszerít, hanem az energiatakarékosságra is. Főleg ott, ahol a fosszilis tüzelőanyagokat még nem lehet ilyen gyorsan pótolni, legalább hatékonyan kell azokat felhasználni – például energiaigényes ipari üzemek vagy erőművek hulladékhőjéből villamos energiát termelni. Jelenleg az európai iparban felhasznált energia körülbelül 17 százaléka veszendő el hulladékhőként. Termoelektromos anyagok segítségével lehetett hasznosítani. Az ilyen termoelektromos anyagokban elektromos feszültség keletkezik, amikor hőmérséklet-különbségnek vannak kitéve. A jelenlegi termoelektromos anyagok azonban nem elég hatékonyak ahhoz, hogy nagy ipari méretekben használhassák őket. A düsseldorfi székhelyű Max Planck Institut für Eisenforschung által vezetett kutatócsoportnak most sikerült optimalizálnia egy termoelektromost, mivel az anyagok a szakzsargonban ismertek, és így közelebb kerülnek az ipari felhasználáshoz. A csapat a folyóiratban tette közzé eredményeit Fejlett energiaanyagok („Szemcsehatár-fázisok NbFeSb fél-Heusler-ötvözetekben: Új út a termoelektromos anyagok szállítási tulajdonságainak hangolásához”). A csapat egy nióbium, vas és antimon ötvözetet tanulmányozott, amely körülbelül 70 és több mint 700 Celsius-fok közötti hőmérsékleten, nyolc százalékos hatásfokkal alakítja át a hulladékhőt elektromossággá – ezzel az ötvözet jelenleg az egyik leghatékonyabb termoelektromos anyag. Csak a bizmutból és tellúrból készült anyag ér el hasonló értékeket. A bizmuttellurid azonban csak viszonylag alacsony hőmérsékleten használható, és mechanikailag kevésbé stabil, mint a nióbiumból, vasból és antimonból készült termoelektromos anyag. Ezenkívül összetevői kevésbé könnyen hozzáférhetők.

A titán javítja az elektromos vezetőképességet

A nióbiumból, vasból és antimonból készült termoelektromos anyag hatékonyságának további növelése érdekében a kutatók a mikroszerkezetére összpontosítottak. A legtöbb fémhez hasonlóan a termoelektromos anyagok apró kristályokból állnak. A szemcsék összetétele és szerkezete, valamint a közöttük lévő terek, az úgynevezett szemcsehatárok tulajdonságai döntő jelentőségűek a termoelektromos anyagok hő- és elektromos vezetőképessége szempontjából. Korábbi kutatások kimutatták, hogy a szemcsehatárok csökkentik az anyag hő- és elektromos vezetőképességét egyaránt. A lehető legnagyobb hatásfok érdekében a hővezető tényező a lehető legkisebb legyen, hogy a hő, azaz az energia az anyagban maradjon. Az elektromos vezetőképességnek azonban magasnak kell lennie, hogy a lehető legtöbb hőt elektromos árammá alakíthassuk. A Max Planck Institut für Eisenforschung, a Northwestern University (USA) és a Drezdai Leibniz Szilárdtest- és Anyagkutató Intézet csapatának célja ezért a szemcsehatárok optimalizálása volt oly módon, hogy csak a hővezető képesség csökkenjen, de nem az elektromos vezetőképesség. „Pásztázó transzmissziós elektronmikroszkópokat és atomszondákat használtunk az ötvözet mikroszerkezetének tanulmányozására egészen az atomi szintig” – mondja Ruben Bueno Villoro, a Max Planck Institut für Eisenforschung doktorandusza. "Elemzésünk kimutatta, hogy a szemcsehatárokat optimalizálni kell az elektromos és termikus tulajdonságok javítása érdekében." „Minél kisebbek a szemcsék az anyagban, annál nagyobb a szemcsehatárok száma, és annál rosszabb az elektromos vezetőképesség” – magyarázza Siyuan Zhang, ugyanazon kutatócsoport projektvezetője. „Nincs értelme az anyagban lévő szemcsék méretét növelni, mert a nagyobb szemcsék növelnék a hővezető képességet, és hőt, ezáltal energiát veszítenénk. Ezért meg kellett találnunk a módját, hogy a kis szemcsék ellenére is növeljük az elektromos vezetőképességet.” A kutatók úgy oldották meg a problémát, hogy az anyagot titánnal dúsították, amely többek között a szemcsehatárokon halmozódik fel és növeli az elektromos vezetőképességet. Ily módon akár 40 százalékkal is növelték az ötvözet termoelektromos hatásfokát. A gyakorlati alkalmazásokhoz azonban a hatékonyságot még jelentősen növelni kell.

Következő lépés: a titán szelektív dúsítása a szemcsehatárokon

A kutatócsoport jelenleg azt elemzi, hogyan lehet titánt szelektíven csak a szemcsehatárokhoz adni anélkül, hogy a teljes anyagot titánnal dúsítanák. Ez a stratégia költséget takarít meg, és nagymértékben megőrzi a termoelektromos anyag eredeti kémiai összetételét. A jelenlegi kutatás azt mutatja be, hogy a funkcionális tulajdonságok hogyan kapcsolhatók össze egy anyag atomi szerkezetével bizonyos tulajdonságok specifikus optimalizálása érdekében.

Időbélyeg:

Még több Nanowerk