Thêm năng lượng từ nhiệt thải

Thêm năng lượng từ nhiệt thải

Dấu thời gian: Ngày 29 tháng 2023 năm 4 22:XNUMX sáng
Nút nguồn: 2617004
29 Tháng Tư, 2023 (Tin tức Nanowerk) Khi nhiên liệu hóa thạch, cũng như nhiên liệu sinh học, bị đốt cháy, một lượng lớn năng lượng bị thất thoát dưới dạng nhiệt thải. Các vật liệu nhiệt điện có thể chuyển đổi nhiệt này thành điện năng, nhưng chúng chưa đủ hiệu quả để ứng dụng kỹ thuật. Một nhóm từ Max Planck Institut für Eisenforschung hiện đã tăng hiệu quả của vật liệu nhiệt điện bằng cách làm sáng tỏ ảnh hưởng của cấu trúc vi mô lên vật liệu và tối ưu hóa các đặc tính của vật liệu bằng cách thêm titan. Sự sắp xếp hóa học và nguyên tử của các pha ranh giới hạt xác định sự vận chuyển điện tử qua ranh giới hạt Sự sắp xếp hóa học và nguyên tử của các pha ranh giới hạt xác định sự vận chuyển điện tử qua ranh giới hạt. Pha ranh giới hạt giàu titan cung cấp đường dẫn điện (trái) trong khi pha ranh giới hạt giàu sắt có điện trở đối với các electron (phải). (Hình ảnh: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) Khủng hoảng khí hậu đang buộc chúng ta không chỉ loại bỏ dần nhiên liệu hóa thạch mà còn phải tiết kiệm năng lượng. Đặc biệt là ở những nơi chưa thể thay thế nhiên liệu hóa thạch một cách nhanh chóng, thì ít nhất chúng phải được sử dụng một cách hiệu quả – ví dụ, bằng cách tạo ra điện từ nhiệt thải của các nhà máy công nghiệp hoặc nhà máy điện sử dụng nhiều năng lượng. Hiện tại, khoảng 17% năng lượng được sử dụng trong ngành công nghiệp châu Âu bị thất thoát dưới dạng nhiệt thải. Nó có thể được khai thác với sự trợ giúp của vật liệu nhiệt điện. Trong các nhiệt điện như vậy, một điện áp được tạo ra khi chúng tiếp xúc với sự chênh lệch nhiệt độ. Tuy nhiên, nhiệt điện hiện tại không đủ hiệu quả để sử dụng trên quy mô công nghiệp lớn. Một nhóm nghiên cứu do Max Planck Institut für Eisenforschung có trụ sở tại Düsseldorf dẫn đầu hiện đã thành công trong việc tối ưu hóa nhiệt điện, vì các vật liệu này được biết đến trong thuật ngữ kỹ thuật và do đó tiến gần hơn đến ứng dụng công nghiệp. Nhóm nghiên cứu đã công bố phát hiện của mình trên tạp chí Vật liệu năng lượng tiên tiến (“Các pha ranh giới hạt trong hợp kim nửa Heusler NbFeSb: Một con đường mới để điều chỉnh các đặc tính vận chuyển của vật liệu nhiệt điện”). Nhóm đã nghiên cứu một hợp kim gồm niobi, sắt và antimon có thể chuyển đổi nhiệt thải thành điện ở nhiệt độ từ khoảng 70 đến hơn 700 độ C với hiệu suất XNUMX% – làm cho hợp kim này hiện là một trong những chất nhiệt điện hiệu quả nhất. Chỉ có vật liệu làm từ bismuth và Tellurium mới đạt được giá trị tương tự. Tuy nhiên, bismuth Telluride chỉ thích hợp để sử dụng ở nhiệt độ tương đối thấp và kém ổn định hơn về mặt cơ học so với nhiệt điện làm từ niobi, sắt và antimon. Ngoài ra, các thành phần của nó ít sẵn có hơn.

Titan cải thiện tính dẫn điện

Để tăng thêm hiệu quả của nhiệt điện làm từ niobi, sắt và antimon, các nhà nghiên cứu tập trung vào cấu trúc vi mô của nó. Giống như hầu hết các kim loại, vật liệu nhiệt điện bao gồm các tinh thể nhỏ. Thành phần và cấu trúc của các hạt, cũng như tính chất của các khoảng trống giữa chúng, được gọi là ranh giới hạt, rất quan trọng đối với tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu nhiệt điện. Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng ranh giới hạt làm giảm cả tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu. Để có hiệu quả cao nhất có thể, độ dẫn nhiệt phải càng thấp càng tốt để nhiệt, tức là năng lượng, vẫn còn trong vật liệu. Tuy nhiên, độ dẫn điện phải cao để chuyển đổi càng nhiều nhiệt càng tốt thành điện năng. Do đó, mục tiêu của nhóm từ Max Planck Institut für Eisenforschung, Đại học Northwestern (Mỹ) và Viện nghiên cứu vật liệu và chất rắn Leibniz Dresden là tối ưu hóa ranh giới hạt sao cho chỉ giảm độ dẫn nhiệt, nhưng không dẫn điện. Ruben Bueno Villoro, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Max Planck Institut für Eisenforschung, cho biết: “Chúng tôi đã sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua quét và đầu dò nguyên tử để nghiên cứu cấu trúc vi mô của hợp kim ở cấp độ nguyên tử. “Phân tích của chúng tôi đã chỉ ra rằng ranh giới hạt cần phải được tối ưu hóa để cải thiện tính chất điện và nhiệt.” Siyuan Zhang, trưởng dự án trong cùng nhóm nghiên cứu, giải thích: “Các hạt trong vật liệu càng nhỏ thì số lượng ranh giới hạt càng cao và độ dẫn điện càng kém. “Không có ý nghĩa gì khi tăng kích thước của các hạt trong vật liệu, bởi vì các hạt lớn hơn sẽ làm tăng tính dẫn nhiệt và chúng ta sẽ mất nhiệt và do đó mất năng lượng. Do đó, chúng tôi phải tìm cách tăng tính dẫn điện mặc dù các hạt nhỏ.” Các nhà nghiên cứu đã giải quyết vấn đề bằng cách làm giàu vật liệu bằng titan, trong số những thứ khác, tích tụ ở ranh giới hạt và tăng tính dẫn điện. Bằng cách này, họ đã tăng hiệu suất nhiệt điện của hợp kim lên tới 40%. Tuy nhiên, đối với các ứng dụng thực tế, hiệu quả vẫn cần tăng lên đáng kể.

Bước tiếp theo: làm giàu titan có chọn lọc tại ranh giới hạt

Hiện nhóm nghiên cứu đang phân tích các cách để chỉ thêm titan một cách có chọn lọc vào ranh giới hạt mà không làm giàu toàn bộ vật liệu bằng titan. Chiến lược này giúp tiết kiệm chi phí và bảo toàn phần lớn thành phần hóa học ban đầu của vật liệu nhiệt điện. Nghiên cứu hiện tại cho thấy cách các thuộc tính chức năng có thể được liên kết với cấu trúc nguyên tử của vật liệu để tối ưu hóa các thuộc tính nhất định một cách cụ thể.

Dấu thời gian:

Thêm từ công trình nano