从余热中获取更多能量

29 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerk新闻) 燃烧化石燃料和生物燃料时，大量能量会以废热的形式损失掉。 热电材料可以将这种热量转化为电能，但它们在技术应用方面的效率还不够高。 Max Planck Institut für Eisenforschung 的一个团队现在通过阐明微观结构对材料的影响并通过添加钛优化材料的性能来提高热电材料的效率。 晶界相的化学和原子排列定义了通过晶界的电子传输。 富钛晶界相提供导电路径（左），而富铁晶界相则对电子具有电阻（右）。 （图片来源：R. Bueno Villoro，Max-Planck-Institut für Eisenforschung）气候危机迫使我们不仅要逐步淘汰化石燃料，还要节约能源。 尤其是在化石燃料还不能这么快被替代的地方，至少应该有效地使用它们——例如，利用能源密集型工厂或发电站的废热发电。 目前，欧洲工业使用的能源中约有 17% 作为废热损失掉了。 它可以在热电材料的帮助下加以利用。 在这种热电装置中，当它们暴露于温差时会产生电压。 然而，目前的热电器件效率不足以用于大规模工业。 由总部位于杜塞尔多夫的 Max Planck Institut für Eisenforschung 领导的研究团队现已成功优化热电材料，因为这种材料在技术术语中是众所周知的，因此更接近工业用途。 该团队在期刊上发表了研究结果 先进能源材料 (“NbFeSb 半赫斯勒合金中的晶界相：调整热电材料传输特性的新途径”). 该团队研究了一种铌、铁和锑的合金，它可以在大约 70 到 700 摄氏度的温度范围内将废热转化为电能，效率为 XNUMX%——这使得该合金成为目前最高效的热电材料之一。 只有由铋和碲制成的材料才能达到类似的值。 然而，碲化铋只适合在相对较低的温度下使用，并且机械稳定性不如由铌、铁和锑制成的热电。 此外，其成分不易获得。

钛提高导电性

为了进一步提高由铌、铁和锑制成的热电的效率，研究人员着重研究了它的微观结构。 与大多数金属一样，热电材料由微小的晶体组成。 晶粒的组成和结构，以及晶粒之间空间（称为晶界）的特性，对热电材料的导热性和导电性至关重要。 先前的研究表明，晶界会降低材料的导热性和导电性。 为了获得尽可能高的效率，热导率应尽可能低，以便热量（即能量）保留在材料中。 然而，电导率应该很高，以便将尽可能多的热量转化为电能。 因此，Max Planck Institut für Eisenforschung、西北大学（美国）和德累斯顿莱布尼茨固态与材料研究所的团队的目标是以仅降低热导率的方式优化晶界，但不是电导率。 “我们使用扫描透射电子显微镜和原子探针来研究合金的微观结构，直至原子水平，”马克斯普朗克研究所的博士生 Ruben Bueno Villoro 说。 “我们的分析表明，需要优化晶界以改善电气和热性能。” “材料中的晶粒越小，晶界越多，导电性越差，”同一研究小组的项目负责人张思远解释道。 “增加材料中晶粒的尺寸没有意义，因为较大的晶粒会增加导热性，我们会损失热量，从而损失能量。 因此，我们必须找到一种方法来提高导电性，尽管颗粒很小。” 研究人员通过用钛富集材料解决了这个问题，除其他外，钛会积聚在晶界并增加导电性。 通过这种方式，他们将合金的热电效率提高了 40%。 然而，对于实际应用，效率仍然需要显着提高。

下一步：在晶界选择性富集钛

现在，研究团队正在分析如何选择性地将钛添加到晶界，而不用钛富集整个材料。 这种策略节省了成本，并在很大程度上保留了热电材料的原始化学成分。 目前的研究表明，功能特性如何与材料的原子结构相关联，以专门优化某些特性。

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62920.php