Більше енергії від відпрацьованого тепла

Більше енергії від відпрацьованого тепла

Мітка часу: 29 квітня 2023 р., 4:22
Вихідний вузол: 2617004
29 квітня 2023 (Новини Nanowerk) Коли спалюється викопне паливо, а також біопаливо, велика кількість енергії втрачається у вигляді відпрацьованого тепла. Термоелектричні матеріали можуть перетворювати це тепло в електрику, але вони ще недостатньо ефективні для технічного застосування. Команда з Інституту Макса Планка für Eisenforschung тепер підвищила ефективність термоелектричного матеріалу, з’ясувавши вплив мікроструктури на матеріал і оптимізувавши властивості матеріалу шляхом додавання титану. Хімічний склад і атомна структура зернограничних фаз визначають транспорт електронів через межі зерен Хімічний склад і атомна структура зернограничних фаз визначають транспорт електронів через межі зерен. Збагачена титаном зерногранична фаза забезпечує провідний шлях (ліворуч), тоді як збагачена залізом зерногранична фаза є резистивною для електронів (праворуч). (Зображення: Р. Буено Віллоро, Макс-Планк-Інститут економічного розвитку) Кліматична криза змушує нас не тільки поступово відмовлятися від викопного палива, але й економити енергію. Особливо там, де викопне паливо ще не можна замінити так швидко, його слід принаймні ефективно використовувати – наприклад, виробляючи електроенергію з відпрацьованого тепла енергоємних промислових підприємств або електростанцій. Зараз близько 17 відсотків енергії, що використовується в європейській промисловості, втрачається у вигляді відпрацьованого тепла. Його можна використовувати за допомогою термоелектричних матеріалів. У таких термоелектриках електрична напруга виникає під час дії на них різниці температур. Однак сучасні термоелектрики недостатньо ефективні для використання у великих промислових масштабах. Дослідницька група під керівництвом дюссельдорфського Інституту Макса Планка für Eisenforschung тепер досягла успіху в оптимізації термоелектрика, оскільки матеріали відомі на технічному жаргоні, і таким чином наблизилася до промислового використання. Команда опублікувала свої висновки в журналі Сучасні енергетичні матеріали («Зернограничні фази в напівгейслерівських сплавах NbFeSb: новий шлях до налаштування транспортних властивостей термоелектричних матеріалів»). Команда досліджувала сплав ніобію, заліза та сурми, який перетворює відпрацьоване тепло в електрику при температурах від приблизно 70 до понад 700 градусів Цельсія з ефективністю вісім відсотків, що робить цей сплав на даний момент одним із найефективніших термоелектриків. Тільки матеріал, виготовлений з вісмуту і телуру, досягає подібних значень. Проте телурид вісмуту придатний лише для використання при відносно низьких температурах і є механічно менш стабільним, ніж термоелектрик, виготовлений з ніобію, заліза та сурми. Крім того, його складові менш доступні.

Титан покращує електропровідність

Щоб ще більше підвищити ефективність термоелектрика з ніобію, заліза та сурми, дослідники зосередилися на його мікроструктурі. Як і більшість металів, термоелектричні матеріали складаються з крихітних кристалів. Склад і структура зерен, а також властивості проміжків між ними, відомі як межі зерен, мають вирішальне значення для тепло- та електропровідності термоелектричних матеріалів. Попередні дослідження показали, що межі зерен зменшують як тепло-, так і електропровідність матеріалу. Для максимально можливої ​​ефективності теплопровідність повинна бути якомога нижчою, щоб тепло, тобто енергія, залишалася в матеріалі. Електропровідність, однак, повинна бути високою, щоб перетворити якомога більше тепла в електрику. Таким чином, мета команди з Інституту Макса Планка, Північно-Західного університету (США) та Інституту дослідження твердого тіла та матеріалів імені Лейбніца в Дрездені полягала в тому, щоб оптимізувати межі зерен таким чином, щоб зменшити лише теплопровідність, але не електропровідність. «Ми використовували скануючі просвічуючі електронні мікроскопи та атомні зонди, щоб досліджувати мікроструктуру сплаву аж до атомарного рівня», — каже Рубен Буено Віллоро, докторант Інституту Макса Планка für Eisenforschung. «Наш аналіз показав, що межі зерен необхідно оптимізувати для покращення електричних і теплових властивостей». «Чим менші зерна в матеріалі, тим більша кількість меж зерен і гірша електропровідність», — пояснює Сіюань Чжан, керівник проекту в тій же дослідницькій групі. «Немає сенсу збільшувати розмір зерен у матеріалі, оскільки більші зерна підвищать теплопровідність, і ми втратимо тепло, а отже, і енергію. Тому нам довелося знайти спосіб збільшити електропровідність, незважаючи на дрібні зерна». Дослідники вирішили проблему, збагативши матеріал титаном, який, крім іншого, накопичується на межах зерен і підвищує електропровідність. Таким чином вони підвищили термоелектричну ефективність сплаву до 40 відсотків. Однак для практичного застосування ефективність все ще потребує значного підвищення.

Наступний крок: селективне збагачення титану по межах зерен

Зараз дослідницька група аналізує способи вибіркового додавання титану лише до меж зерен без збагачення титаном всього матеріалу. Ця стратегія економить кошти та значною мірою зберігає початковий хімічний склад термоелектричного матеріалу. Поточне дослідження показує, як функціональні властивості можна пов’язати з атомною структурою матеріалу, щоб спеціально оптимізувати певні властивості.

Часова мітка:

Більше від Нановерк