ใช้พลังงานมากขึ้นจากความร้อนเหลือทิ้ง

29 เม.ย. 2023 (ข่าวนาโนเวิร์ค) เมื่อเชื้อเพลิงฟอสซิลรวมถึงเชื้อเพลิงชีวภาพถูกเผาไหม้ พลังงานจำนวนมากจะสูญเสียไปเป็นความร้อนเหลือทิ้ง วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกสามารถเปลี่ยนความร้อนนี้เป็นไฟฟ้าได้ แต่ยังไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอสำหรับการใช้งานทางเทคนิค ทีมงานจาก Max Planck Institut für Eisenforschung ได้เพิ่มประสิทธิภาพของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกโดยการอธิบายถึงอิทธิพลของโครงสร้างจุลภาคที่มีต่อวัสดุและปรับคุณสมบัติของวัสดุให้เหมาะสมโดยการเพิ่มไททาเนียม เคมีและการจัดเรียงอะตอมของเฟสขอบเขตเกรนกำหนดการขนส่งอิเล็กตรอนผ่านขอบเขตเกรน เฟสขอบเขตของเกรนที่อุดมไปด้วยไททาเนียมเป็นเส้นทางนำไฟฟ้า (ซ้าย) ในขณะที่เฟสขอบเขตของเกรนที่อุดมด้วยธาตุเหล็กจะต้านทานอิเล็กตรอน (ขวา) (ภาพ: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) วิกฤตการณ์ทางสภาพอากาศไม่ได้บังคับให้เราเลิกใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลเท่านั้น แต่ยังต้องประหยัดพลังงานด้วย โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อยังไม่สามารถเปลี่ยนเชื้อเพลิงฟอสซิลได้อย่างรวดเร็ว อย่างน้อยก็ควรนำมาใช้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น โดยการผลิตไฟฟ้าจากความร้อนเหลือทิ้งของโรงงานอุตสาหกรรมหรือสถานีไฟฟ้าที่ใช้พลังงานมาก ในปัจจุบัน ประมาณร้อยละ 17 ของพลังงานที่ใช้ในอุตสาหกรรมของยุโรปสูญเสียไปในรูปของความร้อนเหลือทิ้ง สามารถควบคุมได้ด้วยความช่วยเหลือของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก ในเทอร์โมอิเล็กทริกดังกล่าว แรงดันไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นเมื่อสัมผัสกับความแตกต่างของอุณหภูมิ อย่างไรก็ตาม เทอร์โมอิเล็กทริกในปัจจุบันไม่มีประสิทธิภาพเพียงพอที่จะใช้ในระดับอุตสาหกรรมขนาดใหญ่ ขณะนี้ทีมวิจัยที่นำโดย Max Planck Institut für Eisenforschung ในเมืองดึสเซลดอร์ฟประสบความสำเร็จในการเพิ่มประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริก เนื่องจากวัสดุดังกล่าวเป็นที่รู้จักในศัพท์แสงทางเทคนิค และด้วยเหตุนี้จึงเข้าใกล้การใช้ในอุตสาหกรรมมากขึ้น ทีมงานได้เผยแพร่ผลการวิจัยในวารสาร วัสดุพลังงานขั้นสูง (“ขั้นตอนขอบเขตเกรนในโลหะผสมฮาล์ฟ-เฮสเลอร์ NbFeSb: ช่องทางใหม่ในการปรับคุณสมบัติการขนส่งของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก”). ทีมงานศึกษาโลหะผสมของไนโอเบียม เหล็ก และพลวงที่เปลี่ยนความร้อนเหลือใช้ให้เป็นไฟฟ้าที่อุณหภูมิตั้งแต่ประมาณ 70 ถึงมากกว่า 700 องศาเซลเซียส โดยมีประสิทธิภาพร้อยละ XNUMX ทำให้โลหะผสมเป็นหนึ่งในเทอร์โมอิเล็กทริกที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดในปัจจุบัน เฉพาะวัสดุที่ทำจากบิสมัทและเทลลูเรียมเท่านั้นที่ได้ค่าที่ใกล้เคียงกัน อย่างไรก็ตาม บิสมัทเทลลูไรด์เหมาะสำหรับการใช้งานที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำเท่านั้น และมีความเสถียรทางกลไกน้อยกว่าเทอร์โมอิเล็กทริกที่ทำจากไนโอเบียม เหล็ก และพลวง นอกจากนี้ ส่วนประกอบของมันยังหาได้ไม่ง่ายนัก

ไททาเนียมช่วยเพิ่มการนำไฟฟ้า

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเทอร์โมอิเล็กทริกที่ทำจากไนโอเบียม เหล็ก และพลวง นักวิจัยจึงมุ่งเน้นไปที่โครงสร้างจุลภาค วัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกประกอบด้วยผลึกเล็กๆ เช่นเดียวกับโลหะส่วนใหญ่ องค์ประกอบและโครงสร้างของเกรน ตลอดจนคุณสมบัติของช่องว่างระหว่างเกรน ซึ่งเรียกว่าขอบเขตของเกรน มีความสำคัญต่อการนำความร้อนและไฟฟ้าของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริก การวิจัยก่อนหน้านี้แสดงให้เห็นว่าขอบเกรนช่วยลดทั้งการนำความร้อนและการนำไฟฟ้าของวัสดุ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด ค่าการนำความร้อนควรต่ำที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้เพื่อให้ความร้อน ซึ่งก็คือพลังงานยังคงอยู่ในวัสดุ อย่างไรก็ตาม ค่าการนำไฟฟ้าควรสูงเพื่อที่จะเปลี่ยนความร้อนให้เป็นไฟฟ้าได้มากที่สุด เป้าหมายของทีมงานจาก Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern University (USA) และ Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden คือการเพิ่มประสิทธิภาพขอบเขตเกรนในลักษณะที่ลดการนำความร้อนเท่านั้น แต่ ไม่ใช่การนำไฟฟ้า Ruben Bueno Villoro นักศึกษาระดับปริญญาเอกจาก Max Planck Institut für Eisenforschung กล่าวว่า "เราใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบส่องกราดและหัววัดอะตอมเพื่อศึกษาโครงสร้างจุลภาคของโลหะผสมจนถึงระดับอะตอม "การวิเคราะห์ของเราแสดงให้เห็นว่าขอบเขตของเกรนจำเป็นต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าและความร้อน" Siyuan Zhang หัวหน้าโครงการในกลุ่มวิจัยเดียวกันกล่าวว่า "ยิ่งเมล็ดธัญพืชในวัสดุมีขนาดเล็กลง จำนวนของขอบเกรนก็จะยิ่งสูงขึ้นและค่าการนำไฟฟ้ายิ่งแย่ลงเท่านั้น" “มันไม่สมเหตุสมผลเลยที่จะเพิ่มขนาดของเกรนในวัสดุ เพราะเกรนที่ใหญ่ขึ้นจะเพิ่มการนำความร้อน และเราจะสูญเสียความร้อนและพลังงาน ดังนั้นเราจึงต้องหาทางเพิ่มการนำไฟฟ้าแม้จะมีเม็ดเล็กๆ ก็ตาม” นักวิจัยแก้ปัญหาด้วยการเสริมวัสดุด้วยไทเทเนียม ซึ่งเหนือสิ่งอื่นใด สะสมที่ขอบเกรนและเพิ่มการนำไฟฟ้า ด้วยวิธีนี้ พวกเขาเพิ่มประสิทธิภาพเทอร์โมอิเล็กทริกของโลหะผสมได้ถึง 40 เปอร์เซ็นต์ อย่างไรก็ตาม สำหรับการใช้งานจริง ประสิทธิภาพยังคงต้องเพิ่มขึ้นอย่างมาก

ขั้นตอนต่อไป: การเพิ่มคุณค่าไททาเนียมแบบเลือกที่ขอบเกรน

ขณะนี้ทีมวิจัยกำลังวิเคราะห์วิธีการเลือกเติมไททาเนียมเฉพาะที่ขอบเกรนโดยไม่เพิ่มคุณค่าวัสดุทั้งหมดด้วยไททาเนียม กลยุทธ์นี้ช่วยประหยัดค่าใช้จ่ายและรักษาองค์ประกอบทางเคมีดั้งเดิมของวัสดุเทอร์โมอิเล็กทริกได้อย่างมาก การวิจัยในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่าคุณสมบัติเชิงหน้าที่สามารถเชื่อมโยงกับโครงสร้างอะตอมของวัสดุได้อย่างไรเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพคุณสมบัติบางอย่างโดยเฉพาะ

• เนื้อหาที่ขับเคลื่อนด้วย SEO และการเผยแพร่ประชาสัมพันธ์ รับการขยายวันนี้
• เพลโตไอสตรีม. ข้อมูลอัจฉริยะ Web3 ขยายความรู้ เข้าถึงได้ที่นี่.
• การสร้างอนาคตโดย Adryenn Ashley เข้าถึงได้ที่นี่.
• ที่มา: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62920.php