Atık ısıdan daha fazla güç

Atık ısıdan daha fazla güç

Zaman Damgası: 29 Nisan 2023 4:22
Kaynak Düğüm: 2617004
29 Nis 2023 (Nanowerk Haberleri) Fosil yakıtlar ve aynı zamanda biyoyakıtlar yakıldığında, büyük miktarda enerji atık ısı olarak kaybolur. Termoelektrik malzemeler bu ısıyı elektriğe dönüştürebilir, ancak henüz teknik uygulama için yeterince verimli değildir. Max Planck Institut für Eisenforschung'dan bir ekip, mikro yapının malzeme üzerindeki etkisini açıklayarak ve titanyum ekleyerek malzemenin özelliklerini optimize ederek bir termoelektrik malzemenin verimliliğini artırdı. Tane sınırı fazlarının kimyası ve atomik düzeni, tane sınırları boyunca elektron taşınmasını tanımlar. Tane sınırı fazlarının kimyası ve atomik düzeni, tane sınırları boyunca elektron taşınmasını tanımlar. Titanyum açısından zengin tane sınırı fazı iletken bir yol sağlarken (solda), demir açısından zengin tane sınırı fazı elektronlara dirençlidir (sağda). (Resim: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) İklim krizi bizi yalnızca fosil yakıtları aşamalı olarak bırakmaya değil, aynı zamanda enerji tasarrufu yapmaya da zorluyor. Özellikle fosil yakıtların henüz bu kadar hızlı bir şekilde yenilenemediği durumlarda, en azından verimli bir şekilde kullanılmaları gerekir - örneğin, enerji yoğun endüstriyel tesislerin veya elektrik santrallerinin atık ısısından elektrik üreterek. Şu anda Avrupa sanayisinde kullanılan enerjinin yaklaşık yüzde 17'si atık ısı olarak kayboluyor. Termoelektrik malzemeler yardımıyla kullanılabilir. Bu tür termoelektriklerde, sıcaklık farkına maruz kaldıklarında bir elektrik voltajı üretilir. Bununla birlikte, mevcut termoelektrikler, büyük bir endüstriyel ölçekte kullanılabilecek kadar verimli değildir. Düsseldorf merkezli Max Planck Institut für Eisenforschung tarafından yönetilen bir araştırma ekibi, malzemeler teknik jargonda bilindiği ve böylece endüstriyel kullanıma yaklaştığı için şimdi bir termoelektriği optimize etmeyi başardı. Ekip bulgularını dergide yayınladı Gelişmiş Enerji Malzemeleri ("NbFeSb yarı Heusler alaşımlarında tane sınırı fazları: Termoelektrik malzemelerin taşıma özelliklerini ayarlamak için yeni bir yol"). Ekip, atık ısıyı yaklaşık 70 ila 700 santigrat derece arasındaki sıcaklıklarda yüzde sekiz verimlilikle elektriğe dönüştüren ve alaşımı şu anda en verimli termoelektriklerden biri yapan bir niyobyum, demir ve antimon alaşımı üzerinde çalıştı. Sadece bizmut ve tellürden yapılmış bir malzeme benzer değerlere ulaşır. Bununla birlikte, bizmut tellürid yalnızca nispeten düşük sıcaklıklarda kullanım için uygundur ve mekanik olarak niyobyum, demir ve antimondan yapılan termoelektrikten daha az kararlıdır. Ek olarak, bileşenleri daha az hazırdır.

Titanyum elektriksel iletkenliği artırır

Araştırmacılar, niyobyum, demir ve antimondan yapılan termoelektriğin verimliliğini daha da artırmak için mikro yapısına odaklandı. Çoğu metal gibi, termoelektrik malzemeler de küçük kristallerden oluşur. Tanelerin bileşimi ve yapısı ile tane sınırları olarak bilinen aralarındaki boşlukların özellikleri, termoelektrik malzemelerin termal ve elektriksel iletkenliği için çok önemlidir. Önceki araştırmalar, tane sınırlarının malzemenin hem termal hem de elektriksel iletkenliğini azalttığını göstermiştir. Mümkün olan en yüksek verim için, ısının yani enerjinin malzemede kalması için termal iletkenlik mümkün olduğu kadar düşük olmalıdır. Bununla birlikte, mümkün olduğunca fazla ısıyı elektriğe dönüştürmek için elektrik iletkenliği yüksek olmalıdır. Max Planck Institut für Eisenforschung, Northwestern Üniversitesi (ABD) ve Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden'den ekibin amacı bu nedenle, tane sınırlarını yalnızca termal iletkenliği azaltacak şekilde optimize etmekti. elektriksel iletkenlik değil. Max Planck Institut für Eisenforschung'da doktora öğrencisi olan Ruben Bueno Villoro, "Alaşımın mikro yapısını atomik seviyeye kadar incelemek için taramalı transmisyon elektron mikroskopları ve atom probları kullandık" diyor. "Analizimiz, elektriksel ve termal özellikleri iyileştirmek için tane sınırlarının optimize edilmesi gerektiğini gösterdi." Aynı araştırma grubunda proje lideri olan Siyuan Zhang, "Malzemedeki taneler ne kadar küçükse, tane sınırlarının sayısı o kadar yüksek ve elektriksel iletkenlik o kadar kötü" diye açıklıyor. “Malzemedeki tanelerin boyutunu büyütmek mantıklı değil, çünkü daha büyük taneler termal iletkenliği arttırır ve ısı ve dolayısıyla enerji kaybederiz. Bu nedenle, küçük taneciklere rağmen elektrik iletkenliğini artırmanın bir yolunu bulmamız gerekiyordu.” Araştırmacılar, diğer şeylerin yanı sıra tane sınırlarında biriken ve elektrik iletkenliğini artıran titanyum ile malzemeyi zenginleştirerek sorunu çözdüler. Bu sayede alaşımın termoelektrik verimini yüzde 40'a kadar artırdılar. Bununla birlikte, pratik uygulamalar için, verimliliğin hala önemli ölçüde artırılması gerekmektedir.

Sonraki adım: Tane sınırlarında titanyumun seçici zenginleştirilmesi

Şimdi araştırma ekibi, tüm malzemeyi titanyumla zenginleştirmeden yalnızca tanecik sınırlarına seçici olarak titanyum eklemenin yollarını analiz ediyor. Bu strateji maliyet tasarrufu sağlar ve termoelektrik malzemenin orijinal kimyasal bileşimini büyük ölçüde korur. Mevcut araştırma, belirli özellikleri özel olarak optimize etmek için işlevsel özelliklerin bir malzemenin atomik yapısına nasıl bağlanabileceğini göstermektedir.

Zaman Damgası:

Den fazla nanowerk