Lebih banyak daya dari limbah panas

Lebih banyak daya dari limbah panas

Stempel Waktu: 29 April 2023 4:22
Node Sumber: 2617004
29 Apr 2023 (Berita Nanowerk) Ketika bahan bakar fosil, tetapi juga biofuel, dibakar, sejumlah besar energi hilang sebagai limbah panas. Bahan termoelektrik dapat mengubah panas ini menjadi listrik, tetapi belum cukup efisien untuk aplikasi teknis. Sebuah tim dari Institut Max Planck für Eisenforschung kini telah meningkatkan efisiensi bahan termoelektrik dengan menjelaskan pengaruh struktur mikro pada bahan dan mengoptimalkan sifat bahan dengan menambahkan titanium. Susunan kimia dan atom dari fase batas butir menentukan transpor elektron melalui batas butir Susunan kimia dan atom dari fase batas butir menentukan transpor elektron melalui batas butir. Fase batas butir kaya titanium menyediakan jalur konduktif (kiri) sedangkan fase batas butir kaya besi bersifat resistif terhadap elektron (kanan). (Gambar: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Krisis iklim memaksa kita tidak hanya untuk menghapus bahan bakar fosil, tetapi juga untuk menghemat energi. Terutama di mana bahan bakar fosil belum dapat diganti dengan begitu cepat, setidaknya harus digunakan secara efisien – misalnya, dengan menghasilkan listrik dari limbah panas pabrik industri atau pembangkit listrik yang padat energi. Saat ini, sekitar 17 persen energi yang digunakan di industri Eropa hilang sebagai limbah panas. Itu bisa dimanfaatkan dengan bantuan bahan termoelektrik. Dalam termoelektrik seperti itu, tegangan listrik dihasilkan ketika terkena perbedaan suhu. Namun, termoelektrik saat ini tidak cukup efisien untuk digunakan dalam skala industri besar. Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh Max Planck Institut für Eisenforschung yang berbasis di Düsseldorf kini telah berhasil mengoptimalkan termoelektrik, karena bahannya dikenal dalam jargon teknis, dan dengan demikian mendekati penggunaan industri. Tim menerbitkan temuannya di jurnal Material Energi Tingkat Lanjut ("Fase batas butir dalam paduan setengah-Heusler NbFeSb: Jalan baru untuk menyempurnakan sifat transportasi bahan termoelektrik"). Tim mempelajari paduan niobium, besi, dan antimon yang mengubah limbah panas menjadi listrik pada suhu berkisar antara 70 hingga lebih dari 700 derajat Celcius dengan efisiensi delapan persen – menjadikan paduan tersebut saat ini salah satu termoelektrik paling efisien. Hanya bahan yang terbuat dari bismut dan telurium yang mencapai nilai serupa. Namun, telluride bismut hanya cocok untuk digunakan pada suhu yang relatif rendah dan secara mekanis kurang stabil dibandingkan termoelektrik yang terbuat dari niobium, besi dan antimon. Selain itu, konstituennya kurang tersedia.

Titanium meningkatkan konduktivitas listrik

Untuk lebih meningkatkan efisiensi termoelektrik yang terbuat dari niobium, besi, dan antimon, para peneliti berfokus pada struktur mikronya. Seperti kebanyakan logam, bahan termoelektrik terdiri dari kristal kecil. Komposisi dan struktur butiran, serta sifat ruang di antara mereka, yang dikenal sebagai batas butir, sangat penting untuk konduktivitas termal dan listrik bahan termoelektrik. Penelitian sebelumnya telah menunjukkan bahwa batas butir mengurangi konduktivitas termal dan listrik material. Untuk efisiensi setinggi mungkin, konduktivitas termal harus serendah mungkin sehingga panas, yaitu energi, tetap berada di dalam bahan. Konduktivitas listrik, bagaimanapun, harus tinggi untuk mengubah panas sebanyak mungkin menjadi listrik. Tujuan tim dari Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) dan Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden adalah untuk mengoptimalkan batas butir sedemikian rupa sehingga hanya konduktivitas termal yang berkurang, tetapi bukan konduktivitas listrik. “Kami menggunakan pemindaian mikroskop elektron transmisi dan probe atom untuk mempelajari struktur mikro paduan sampai ke tingkat atom,” kata Ruben Bueno Villoro, seorang mahasiswa doktoral di Max Planck Institut für Eisenforschung. “Analisis kami telah menunjukkan bahwa batas butir perlu dioptimalkan untuk meningkatkan sifat listrik dan termal.” “Semakin kecil butir dalam material, semakin tinggi jumlah batas butir dan semakin buruk konduktivitas listriknya,” jelas Siyuan Zhang, pemimpin proyek di kelompok penelitian yang sama. “Tidak masuk akal untuk meningkatkan ukuran butiran dalam material, karena butiran yang lebih besar akan meningkatkan konduktivitas termal dan kita akan kehilangan panas dan energi. Oleh karena itu, kami harus menemukan cara untuk meningkatkan konduktivitas listrik meskipun butirannya kecil.” Para peneliti memecahkan masalah tersebut dengan memperkaya material dengan titanium, yang antara lain terakumulasi di batas butir dan meningkatkan konduktivitas listrik. Dengan cara ini, mereka meningkatkan efisiensi termoelektrik paduan hingga 40 persen. Namun, untuk aplikasi praktis, efisiensi masih perlu ditingkatkan secara signifikan.

Langkah selanjutnya: pengayaan selektif titanium pada batas butir

Sekarang tim peneliti sedang menganalisis cara untuk menambahkan titanium secara selektif hanya pada batas butir tanpa memperkaya seluruh bahan dengan titanium. Strategi ini menghemat biaya dan sebagian besar mempertahankan komposisi kimia asli dari bahan termoelektrik. Penelitian saat ini menunjukkan bagaimana sifat fungsional dapat dikaitkan dengan struktur atom suatu bahan untuk secara khusus mengoptimalkan sifat tertentu.

Stempel Waktu:

Lebih dari Nanowerk