Больше энергии от отработанного тепла

29 апреля 2023 г. (Новости Наноуэрк) При сжигании ископаемого топлива, а также биотоплива большое количество энергии теряется в виде отработанного тепла. Термоэлектрические материалы могли бы преобразовать это тепло в электричество, но они еще недостаточно эффективны для технического применения. Команда из Max Planck Institut für Eisenforschung повысила эффективность термоэлектрического материала, выяснив влияние микроструктуры на материал и оптимизировав свойства материала за счет добавления титана. Химия и атомное расположение фаз, граничащих с зернами, определяют перенос электронов через границы зерен. Фаза границ зерен, богатая титаном, обеспечивает проводящий путь (слева), в то время как фаза границ зерен, богатая железом, сопротивляется электронам (справа). (Изображение: Р. Буэно Виллоро, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Климатический кризис вынуждает нас не только постепенно отказываться от ископаемого топлива, но и экономить энергию. Особенно там, где ископаемые виды топлива еще не могут быть заменены так быстро, их следует по крайней мере использовать эффективно, например, путем выработки электроэнергии из отработанного тепла энергоемких промышленных предприятий или электростанций. В настоящее время около 17 процентов энергии, используемой в европейской промышленности, теряется в виде отработанного тепла. Это можно было бы использовать с помощью термоэлектрических материалов. В таких термоэлектриках электрическое напряжение генерируется при воздействии на них перепада температур. Однако современные термоэлектрики недостаточно эффективны, чтобы их можно было использовать в крупных промышленных масштабах. Исследовательской группе под руководством расположенного в Дюссельдорфе Института Макса Планка для Eisenforschung удалось оптимизировать термоэлектрические материалы, поскольку эти материалы известны на техническом жаргоне, и, таким образом, приблизить их к промышленному использованию. Команда опубликовала свои выводы в журнале Передовые Энергетические Материалы («Фазы границ зерен в полугейслеровских сплавах NbFeSb: новый способ настройки транспортных свойств термоэлектрических материалов»). Команда изучила сплав ниобия, железа и сурьмы, который преобразует отработанное тепло в электричество при температуре от 70 до более чем 700 градусов по Цельсию с эффективностью XNUMX процентов, что в настоящее время делает этот сплав одним из самых эффективных термоэлектриков. Подобных значений достигают только материалы из висмута и теллура. Однако теллурид висмута пригоден только для использования при относительно низких температурах и механически менее стабилен, чем термоэлектрик из ниобия, железа и сурьмы. Кроме того, его составляющие менее доступны.

Титан улучшает электропроводность

Чтобы еще больше повысить эффективность термоэлектрика из ниобия, железа и сурьмы, исследователи сосредоточились на его микроструктуре. Как и большинство металлов, термоэлектрические материалы состоят из крошечных кристаллов. Состав и структура зерен, а также свойства пространств между ними, известных как границы зерен, имеют решающее значение для тепло- и электропроводности термоэлектрических материалов. Предыдущие исследования показали, что границы зерен снижают тепло- и электропроводность материала. Для максимально возможной эффективности теплопроводность должна быть как можно ниже, чтобы тепло, т. е. энергия, оставалась в материале. Однако электропроводность должна быть высокой, чтобы преобразовать как можно больше тепла в электричество. Таким образом, цель группы из Института Макса Планка для Eisenforschung, Северо-Западного университета (США) и Института исследований твердого тела и материалов им. Лейбница в Дрездене состояла в том, чтобы оптимизировать границы зерен таким образом, чтобы снижалась только теплопроводность, но а не электропроводность. «Мы использовали сканирующие просвечивающие электронные микроскопы и атомные зонды для изучения микроструктуры сплава вплоть до атомарного уровня», — говорит Рубен Буэно Виллоро, докторант Института Макса Планка Eisenforschung. «Наш анализ показал, что границы зерен необходимо оптимизировать для улучшения электрических и тепловых свойств». «Чем мельче зерна в материале, тем больше количество границ зерен и тем хуже электропроводность», — объясняет Сиюань Чжан, руководитель проекта той же исследовательской группы. «Не имеет смысла увеличивать размер зерен в материале, потому что более крупные зерна повысят теплопроводность, и мы потеряем тепло и, следовательно, энергию. Поэтому нам нужно было найти способ увеличить электропроводность, несмотря на мелкие зерна». Исследователи решили проблему, обогатив материал титаном, который, помимо прочего, скапливается на границах зерен и увеличивает электропроводность. Таким образом, они увеличили термоэлектрическую эффективность сплава до 40 процентов. Однако для практических приложений эффективность все еще необходимо значительно увеличить.

Следующий шаг: селективное обогащение титаном границ зерен

Сейчас исследовательская группа анализирует способы выборочного добавления титана только к границам зерен без обогащения всего материала титаном. Эта стратегия снижает затраты и в значительной степени сохраняет первоначальный химический состав термоэлектрического материала. Текущие исследования показывают, как функциональные свойства могут быть связаны с атомной структурой материала для оптимизации определенных свойств.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62920.php