폐열에서 더 많은 전력

폐열에서 더 많은 전력

타임 스탬프 : 29 년 2023 월 4 일 오전 22:XNUMX
소스 노드 : 2617004
29년 2023월 XNUMX일(나노 워크 뉴스) 화석 연료뿐만 아니라 바이오 연료도 연소될 때 많은 양의 에너지가 폐열로 손실됩니다. 열전 재료는 이 열을 전기로 변환할 수 있지만 기술적 응용에는 아직 충분히 효율적이지 않습니다. Max Planck Institut für Eisenforschung의 팀은 재료에 대한 미세 구조의 영향을 밝히고 티타늄을 추가하여 재료의 특성을 최적화함으로써 열전 재료의 효율성을 높였습니다. 입자 경계상의 화학 및 원자 배열은 입자 경계를 통한 전자 수송을 정의합니다. 입자 경계상의 화학 및 원자 배열은 입자 경계를 통한 전자 수송을 정의합니다. 티타늄이 풍부한 결정립계 상은 전도 경로를 제공하고(왼쪽) 철이 풍부한 결정립계 단계는 전자에 저항성이 있습니다(오른쪽). (이미지: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) 기후 위기로 인해 화석 연료를 단계적으로 사용하지 않을 뿐만 아니라 에너지도 절약해야 합니다. 특히 화석 연료를 아직 그렇게 빨리 대체할 수 없는 경우 에너지 집약적인 산업 공장이나 발전소의 폐열에서 전기를 생성하는 등 최소한 효율적으로 사용해야 합니다. 현재 유럽 산업에서 사용되는 에너지의 약 17%가 폐열로 손실됩니다. 열전 재료의 도움으로 활용될 수 있습니다. 이러한 열전 소자는 온도차에 노출되면 전압이 발생합니다. 그러나 현재의 열전기는 대규모 산업 규모에서 사용하기에 충분히 효율적이지 않습니다. 뒤셀도르프에 본사를 둔 Max Planck Institut für Eisenforschung이 이끄는 연구팀은 열전을 최적화하는 데 성공했습니다. 열전 재료는 전문 용어로 알려져 있어 산업 용도에 더 가까워졌습니다. 연구팀은 연구 결과를 저널에 발표했습니다. 고급 에너지 재료 ("NbFeSb 하프-호이슬러 합금의 결정립계 단계: 열전 재료의 수송 특성을 조정하는 새로운 방법"). 연구팀은 약 섭씨 70도에서 700도 이상의 온도에서 XNUMX%의 효율로 폐열을 전기로 변환하는 니오븀, 철 및 안티몬의 합금을 연구하여 현재 이 합금을 가장 효율적인 열전소자 중 하나로 만들었습니다. 비스무트와 텔루륨으로 만들어진 재료만이 비슷한 값을 달성합니다. 그러나 비스무트 텔루라이드는 상대적으로 낮은 온도에서만 사용하기에 적합하며 니오븀, 철 및 안티몬으로 만들어진 열전기보다 기계적으로 덜 안정적입니다. 또한 그 구성 요소를 쉽게 구할 수 없습니다.

티타늄은 전기 전도성을 향상시킵니다.

니오븀, 철, 안티몬으로 구성된 열전소자 효율을 더욱 높이기 위해 연구진은 미세구조에 주목했다. 대부분의 금속과 마찬가지로 열전 재료는 작은 결정으로 구성됩니다. 결정립의 구성과 구조, 결정립계 사이의 공간 특성은 열전 재료의 열 및 전기 전도성에 매우 중요합니다. 이전 연구에서는 입자 경계가 재료의 열 및 전기 전도성을 모두 감소시키는 것으로 나타났습니다. 가능한 최고의 효율을 위해서는 열, 즉 에너지가 재료에 남아 있도록 열전도율이 가능한 한 낮아야 합니다. 그러나 가능한 한 많은 열을 전기로 변환하려면 전기 전도도가 높아야 합니다. Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University(USA) 및 Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden 팀의 목표는 열전도율만 감소하는 방식으로 입자 경계를 최적화하는 것이었습니다. 전기 전도도가 아닙니다. Max Planck Institut für Eisenforschung의 박사 과정 학생인 Ruben Bueno Villoro는 "우리는 스캐닝 투과 전자 현미경과 원자 탐침을 사용하여 합금의 미세 구조를 원자 수준까지 연구했습니다. "우리의 분석은 결정립계가 전기적 및 열적 특성을 개선하기 위해 최적화되어야 한다는 것을 보여주었습니다." 같은 연구 그룹의 프로젝트 리더인 Siyuan Zhang은 "재료의 입자가 작을수록 결정립계의 수가 많아지고 전기 전도도가 나빠집니다."라고 설명합니다. “재료의 입자 크기를 늘리는 것은 이치에 맞지 않습니다. 입자가 크면 열전도율이 증가하고 열과 에너지를 잃게 되기 때문입니다. 따라서 입자가 작아도 전기전도도를 높일 수 있는 방법을 찾아야 했다”고 말했다. 연구원들은 결정립계에 축적되어 전기 전도도를 증가시키는 티타늄으로 재료를 풍부하게 함으로써 문제를 해결했습니다. 이러한 방식으로 그들은 합금의 열전 효율을 최대 40%까지 높였습니다. 그러나 실제 적용을 위해서는 효율성이 여전히 크게 증가해야 합니다.

다음 단계: 결정립계에서 티타늄의 선택적 농축

현재 연구팀은 티타늄으로 전체 재료를 풍부하게 하지 않고 결정립계에만 선택적으로 티타늄을 첨가하는 방법을 분석하고 있다. 이 전략은 비용을 절감하고 열전 재료의 원래 화학 조성을 대부분 보존합니다. 현재 연구는 특정 특성을 구체적으로 최적화하기 위해 기능적 특성이 재료의 원자 구조에 어떻게 연결될 수 있는지 보여줍니다.

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