廃熱からのより多くの電力

廃熱からのより多くの電力

タイムスタンプ：29年2023月4日午前22時XNUMX分
ソースノード： 2617004
29 (Nanowerkニュース) 化石燃料だけでなくバイオ燃料も燃焼すると、大量のエネルギーが廃熱として失われます。 熱電材料はこの熱を電気に変換することができますが、技術的な応用にはまだ十分な効率ではありません。 Max Planck Institut für Eisenforschung のチームは、材料に対する微細構造の影響を解明し、チタンを追加して材料の特性を最適化することにより、熱電材料の効率を向上させました。 粒界相の化学的性質と原子配列が、粒界を通過する電子輸送を定義します。 粒界相の化学的性質と原子配列によって、粒界を通過する電子輸送が決まります。 チタンが豊富な粒界相は導電経路を提供し (左)、鉄が豊富な粒界相は電子に対して抵抗性があります (右)。 (画像: R. Bueno Villoro、Max-Planck-Institut für Eisenforschung) 気候危機により、化石燃料を段階的に廃止するだけでなく、エネルギーを節約することも迫られています。 特に、化石燃料をすぐに置き換えることができない場合は、少なくとも効率的に使用する必要があります。たとえば、エネルギー集約型の産業プラントや発電所の廃熱から発電するなどです。 現在、ヨーロッパの産業で使用されるエネルギーの約 17% が廃熱として失われています。 熱電材料の助けを借りて利用することができます。 このような熱電素子では、温度差にさらされると電圧が発生します。 しかし、現在の熱電変換は、大規模な産業規模で使用するには効率的ではありません。 デュッセルドルフに本拠を置くマックス プランク研究所が率いる研究チームは、材料が技術用語で知られているため、熱電変換​​の最適化に成功し、産業用途に近づいています。 チームはその調査結果をジャーナルに発表しました 先端エネルギー材料 (「NbFeSb ハーフホイスラー合金の粒界相: 熱電材料の輸送特性を調整する新しい手段」）。 チームは、摂氏約 70 度から 700 度以上の範囲の温度で廃熱を XNUMX% の効率で電気に変換するニオブ、鉄、アンチモンの合金を研究しました。この合金は現在、最も効率的な熱電変換素子の XNUMX つになっています。 ビスマスとテルルで作られた材料だけが同様の値を達成します。 ただし、テルル化ビスマスは比較的低温での使用にのみ適しており、ニオブ、鉄、アンチモンで作られた熱電よりも機械的に安定性が低くなります。 さらに、その成分は容易に入手できません。

チタンは電気伝導性を向上させます

ニオブ、鉄、アンチモンでできた熱電素子の効率をさらに高めるために、研究者はその微細構造に注目しました。 ほとんどの金属と同様に、熱電材料は小さな結晶で構成されています。 粒子の組成と構造、および粒子間の空間 (粒子境界として知られる) の特性は、熱電材料の熱伝導率と電気伝導率にとって重要です。 以前の研究では、粒界が材料の熱伝導率と電気伝導率の両方を低下させることが示されています。 可能な限り高い効率を得るには、熱、つまりエネルギーが材料内に留まるように、熱伝導率をできるだけ低くする必要があります。 ただし、できるだけ多くの熱を電気に変換するには、電気伝導率が高くなければなりません。 マックス プランク研究所、ノースウェスタン大学 (米国)、ドレスデンのライプニッツ固体材料研究所のチームの目標は、熱伝導率のみが低下するように粒界を最適化することでした。電気伝導率ではありません。 「走査型透過電子顕微鏡とアトム プローブを使用して、合金の微細構造を原子レベルまで調べました」と、マックス プランク研究所の博士課程の学生である Ruben Bueno Villoro 氏は述べています。 「私たちの分析は、電気的および熱的特性を改善するために粒界を最適化する必要があることを示しています。」 「材料の粒子が小さいほど、粒界の数が多くなり、導電率が低下します」と、同じ研究グループのプロジェクト リーダーである Siyuan Zhang 氏は説明します。 「材料の粒子のサイズを大きくすることは意味がありません。粒子が大きくなると熱伝導率が高くなり、熱が失われ、エネルギーが失われるからです。 そのため、小さな粒子でも電気伝導率を高める方法を見つける必要がありました。」 研究者は、材料をチタンで強化することで問題を解決しました。チタンは、とりわけ、粒界に蓄積し、導電率を高めます。 このようにして、彼らは合金の熱電効率を最大 40% 向上させました。 ただし、実際のアプリケーションでは、効率を大幅に向上させる必要があります。

次のステップ: 粒界でのチタンの選択的濃縮

現在、研究チームは、材料全体をチタンで強化することなく、結晶粒界のみに選択的にチタンを追加する方法を分析しています。 この戦略により、コストが節約され、熱電材料の元の化学組成が大幅に維持されます。 現在の研究では、機能特性を材料の原子構造に関連付けて、特定の特性を具体的に最適化する方法が示されています。

タイムスタンプ：

より多くの ナノワーク