Più potenza dal calore disperso

Più potenza dal calore disperso

Timestamp: 29 aprile 2023 4:22
Nodo di origine: 2617004
29 aprile 2023 (Notizie Nanowerk) Quando vengono bruciati combustibili fossili, ma anche biocarburanti, grandi quantità di energia vengono perse sotto forma di calore residuo. I materiali termoelettrici potrebbero convertire questo calore in elettricità, ma non sono ancora abbastanza efficienti per l'applicazione tecnica. Un team del Max Planck Institut für Eisenforschung ha ora aumentato l'efficienza di un materiale termoelettrico chiarendo l'influenza della microstruttura sul materiale e ottimizzando le proprietà del materiale aggiungendo titanio. La chimica e la disposizione atomica delle fasi al bordo del grano definiscono il trasporto di elettroni attraverso i bordi del grano La chimica e la disposizione atomica delle fasi al bordo del grano definiscono il trasporto di elettroni attraverso i bordi del grano. La fase limite del grano ricca di titanio fornisce un percorso conduttivo (sinistra) mentre la fase limite del grano ricca di ferro è resistiva agli elettroni (destra). (Immagine: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) La crisi climatica ci sta costringendo non solo a eliminare gradualmente i combustibili fossili, ma anche a risparmiare energia. Soprattutto laddove i combustibili fossili non possono ancora essere sostituiti così rapidamente, dovrebbero almeno essere utilizzati in modo efficiente, ad esempio generando elettricità dal calore residuo di impianti industriali o centrali elettriche ad alta intensità energetica. Attualmente, circa il 17 percento dell'energia utilizzata nell'industria europea viene dispersa sotto forma di calore residuo. Potrebbe essere sfruttato con l'aiuto di materiali termoelettrici. In tali termoelettrici, viene generata una tensione elettrica quando sono esposti a una differenza di temperatura. Tuttavia, gli attuali termoelettrici non sono sufficientemente efficienti per essere utilizzati su larga scala industriale. Un gruppo di ricerca guidato dal Max Planck Institut für Eisenforschung di Düsseldorf è ora riuscito a ottimizzare un termoelettrico, poiché i materiali sono noti in gergo tecnico, e quindi ad avvicinarsi all'uso industriale. Il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Materiali energetici avanzati ("Fasi al contorno del grano nelle leghe semi-Heusler NbFeSb: una nuova strada per ottimizzare le proprietà di trasporto dei materiali termoelettrici"). Il team ha studiato una lega di niobio, ferro e antimonio che converte il calore disperso in elettricità a temperature che vanno da circa 70 a più di 700 gradi Celsius con un'efficienza dell'XNUMX%, rendendo la lega attualmente uno dei termoelettrici più efficienti. Solo un materiale fatto di bismuto e tellurio raggiunge valori simili. Tuttavia, il tellururo di bismuto è adatto solo per l'uso a temperature relativamente basse ed è meccanicamente meno stabile del termoelettrico fatto di niobio, ferro e antimonio. Inoltre, i suoi costituenti sono meno facilmente disponibili.

Il titanio migliora la conduttività elettrica

Per aumentare ulteriormente l'efficienza del termoelettrico fatto di niobio, ferro e antimonio, i ricercatori si sono concentrati sulla sua microstruttura. Come la maggior parte dei metalli, i materiali termoelettrici sono composti da minuscoli cristalli. La composizione e la struttura dei grani, così come le proprietà degli spazi tra loro, noti come bordi di grano, sono cruciali per la conduttività termica ed elettrica dei materiali termoelettrici. Precedenti ricerche hanno dimostrato che i bordi dei grani riducono sia la conduttività termica che quella elettrica del materiale. Per la massima efficienza possibile, la conduttività termica dovrebbe essere la più bassa possibile in modo che il calore, cioè l'energia, rimanga nel materiale. La conduttività elettrica, tuttavia, dovrebbe essere elevata per convertire quanto più calore possibile in elettricità. L'obiettivo del team del Max Planck Institut für Eisenforschung, della Northwestern University (USA) e del Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden era quindi quello di ottimizzare i bordi di grano in modo tale da ridurre solo la conduttività termica, ma non la conduttività elettrica. "Abbiamo utilizzato microscopi elettronici a trasmissione a scansione e sonde atomiche per studiare la microstruttura della lega fino al livello atomico", afferma Ruben Bueno Villoro, studente di dottorato presso il Max Planck Institut für Eisenforschung. «La nostra analisi ha dimostrato che i bordi dei grani devono essere ottimizzati per migliorare le proprietà elettriche e termiche». "Più piccoli sono i grani nel materiale, maggiore è il numero di bordi di grano e peggiore è la conduttività elettrica", spiega Siyuan Zhang, capo progetto nello stesso gruppo di ricerca. “Non ha senso aumentare la dimensione dei grani nel materiale, perché grani più grandi aumenterebbero la conduttività termica e perderemmo calore e quindi energia. Pertanto, abbiamo dovuto trovare un modo per aumentare la conduttività elettrica nonostante i piccoli grani". I ricercatori hanno risolto il problema arricchendo il materiale con titanio, che, tra l'altro, si accumula ai bordi dei grani e aumenta la conduttività elettrica. In questo modo, hanno aumentato l'efficienza termoelettrica della lega fino al 40%. Per le applicazioni pratiche, tuttavia, l'efficienza deve ancora aumentare in modo significativo.

Fase successiva: arricchimento selettivo del titanio ai bordi di grano

Ora il team di ricerca sta analizzando i modi per aggiungere selettivamente il titanio solo ai bordi dei grani senza arricchire l'intero materiale con il titanio. Questa strategia consente di risparmiare sui costi e preserva in gran parte la composizione chimica originale del materiale termoelettrico. La ricerca attuale mostra come le proprietà funzionali possono essere collegate alla struttura atomica di un materiale per ottimizzare in modo specifico determinate proprietà.

Timestamp:

Di più da Nanowerk