Več energije iz odpadne toplote

Več energije iz odpadne toplote

Časovni žig: 29. april 2023 4
Izvorno vozlišče: 2617004
29. april 2023 (Nanowerk novice) Pri zgorevanju fosilnih goriv, ​​pa tudi biogoriv, ​​se velike količine energije izgubijo kot odpadna toplota. Termoelektrični materiali bi to toploto lahko pretvorili v elektriko, vendar še niso dovolj učinkoviti za tehnično uporabo. Ekipa z Max Planck Institut für Eisenforschung je zdaj povečala učinkovitost termoelektričnega materiala z razjasnitvijo vpliva mikrostrukture na material in optimizacijo lastnosti materiala z dodajanjem titana. Kemija in atomska razporeditev faz na mejah zrn določata transport elektronov skozi meje zrn Kemija in atomska razporeditev faz na mejah zrn določata transport elektronov skozi meje zrn. S titanom bogata zrnasta mejna faza zagotavlja prevodno pot (levo), medtem ko je z železom bogata zrnata mejna faza odporna na elektrone (desno). (Slika: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Podnebna kriza nas sili ne le v postopno opuščanje fosilnih goriv, ​​ampak tudi v varčevanje z energijo. Zlasti tam, kjer fosilnih goriv še ni mogoče tako hitro nadomestiti, bi jih morali vsaj učinkovito uporabljati – na primer s proizvodnjo električne energije iz odpadne toplote energetsko intenzivnih industrijskih obratov ali elektrarn. Trenutno se približno 17 odstotkov energije, porabljene v evropski industriji, izgubi kot odpadna toplota. Lahko bi ga izkoristili s pomočjo termoelektričnih materialov. V takšnih termoelektrikih nastane električna napetost, ko so izpostavljeni temperaturni razliki. Vendar trenutni termoelektriki niso dovolj učinkoviti za uporabo v velikem industrijskem obsegu. Raziskovalni skupini, ki jo vodi düsseldorfski Max Planck Institut für Eisenforschung, je zdaj uspelo optimizirati termoelektriko, saj so materiali znani v tehničnem žargonu, in se tako približati industrijski uporabi. Ekipa je svoje ugotovitve objavila v reviji Napredni energetski materiali (“Faze mejnih zrn v pol-Heuslerjevih zlitinah NbFeSb: nov način prilagajanja transportnih lastnosti termoelektričnih materialov”). Ekipa je preučevala zlitino niobija, železa in antimona, ki pretvarja odpadno toploto v električno energijo pri temperaturah od približno 70 do več kot 700 stopinj Celzija z učinkovitostjo osem odstotkov – zaradi česar je zlitina trenutno ena najučinkovitejših termoelektrikov. Podobne vrednosti dosega le material iz bizmuta in telura. Vendar pa je bizmutov telurid primeren le za uporabo pri relativno nizkih temperaturah in je mehansko manj stabilen kot termoelektrik iz niobija, železa in antimona. Poleg tega so njegove sestavine težje dostopne.

Titan izboljša električno prevodnost

Za nadaljnje povečanje učinkovitosti termoelektrika iz niobija, železa in antimona so se raziskovalci osredotočili na njegovo mikrostrukturo. Tako kot večina kovin so tudi termoelektrični materiali sestavljeni iz drobnih kristalov. Sestava in struktura zrn ter lastnosti prostorov med njimi, znane kot meje zrn, so ključne za toplotno in električno prevodnost termoelektričnih materialov. Prejšnje raziskave so pokazale, da meje zrn zmanjšajo toplotno in električno prevodnost materiala. Za čim večji izkoristek naj bo toplotna prevodnost čim manjša, da toplota, torej energija, ostane v materialu. Električna prevodnost pa mora biti visoka, da se čim več toplote pretvori v elektriko. Cilj ekipe z Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (ZDA) in Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden je bil torej optimizirati meje zrn na tak način, da se zmanjša samo toplotna prevodnost, vendar ne električne prevodnosti. »Uporabili smo skenirajoče transmisijske elektronske mikroskope in atomske sonde za preučevanje mikrostrukture zlitine vse do atomske ravni,« pravi Ruben Bueno Villoro, doktorski študent na Max Planck Institut für Eisenforschung. "Naša analiza je pokazala, da je treba meje zrn optimizirati za izboljšanje električnih in toplotnih lastnosti." "Manjša kot so zrna v materialu, večje je število meja zrn in slabša je električna prevodnost," pojasnjuje Siyuan Zhang, vodja projekta v isti raziskovalni skupini. »Nima smisla povečevati velikosti zrn v materialu, ker bi večja zrna povečala toplotno prevodnost in bi izgubljali toploto in s tem energijo. Zato smo morali najti način za povečanje električne prevodnosti kljub majhnim zrncem.« Raziskovalci so težavo rešili tako, da so material obogatili s titanom, ki se med drugim kopiči na mejah zrn in povečuje električno prevodnost. Na ta način so povečali termoelektrično učinkovitost zlitine do 40 odstotkov. Za praktične aplikacije pa se mora učinkovitost še znatno povečati.

Naslednji korak: selektivna obogatitev titana na mejah zrn

Zdaj raziskovalna skupina analizira načine za selektivno dodajanje titana samo na meje zrn brez obogatitve celotnega materiala s titanom. Ta strategija prihrani stroške in v veliki meri ohrani prvotno kemično sestavo termoelektričnega materiala. Sedanja raziskava kaže, kako je mogoče funkcionalne lastnosti povezati z atomsko strukturo materiala, da se posebej optimizirajo določene lastnosti.

Časovni žig:

Več od Nanowerk