Abfallenergie Ernten - Thermoelektrische Materialien Nanostructured

Durch Professor Huey Hoon Hng

Außerordentlicher Professor Huey Hoon HNG, Mitarbeiter-Stuhl (Akademisch), Schule der Material-Wissenschaft u. Technik, Technologische Universität Nanyang, Singapur. Entsprechender Autor: ashhhng@ntu.edu.sg

Wegen des ständig steigenden Energiebedarfs und der wachsenden globalen Sorge um die Umweltbelastung von CO-2 Emissionen, gibt es einen Bedarf, Lösungen zu suchen, um von den Fossilienbrennstoffen zur dauerhaften Energie durchzufahren.

Es wird gewusst, dass von der ganzer Primärenergie wir und Gebrauch vorspannen, nur 30% in nützliche Arbeit übertragen wird. Ein schwankendes 70% wird wie ausschweifende Wärme während der Energieumwandlung, -transportes und -speichers vergeudet. Dieser enorme Verlust ist selbst eine Quelle der recyclebaren Energie. Wenn der überschüssige Wärmeverlust kann indem man die Wärme herabgesetzt werden vorspannen lässt, gespeichert werden und wiederverwendet werden, konnten die zusätzlichen erhältlichen Energiequellen enorm sein.1

Thermoelektrische Materialien

Thermoelektrische (TE) Materialien halten großes Versprechen für das Konvertieren von Abwärmeenergie in Strom an. TE-Anlagen haben viele eindeutigen Vorteile, z.B. still, zuverlässig und ersteigbar. Jedoch wird der anwesende Gebrauch von TE-Einheiten durch ihre niedrige Leistungsfähigkeit begrenzt. 2

Um das Ziel der Hochleistungsfähigkeit Energieumwandlung sowie -Wirtschaftlichkeit zu erzielen, sind die aktuellen traditionellen TE-Materialien nicht zufrieden stellend. Materialien der Neuen Generation TE müssen entwickelt werden, um ungefähr vorhersehbare Auswirkungen zu holen.

Energie Umwandlungs-Leistungsfähigkeit von Thermoelektrischen Materialien

Die Energieumwandlungs-Leistungsfähigkeit eines TE-Materials kann durch eine dimensionslose Leistungszahl ausgewertet werden

ZT = ST.2 (rk),

wo S, T, r und K der Seebeck-Koeffizient (auch genannt thermopower), absolute Temperatur, elektrische Widerstandskraft und Wärmeleitfähigkeit sind, beziehungsweise.3 Ausgezeichnete TE-Materialien sollten einen Faktor der großen Leistung aufweisen (S/r)2 für elektrische Eigenschaften sowie niedrige Wärmeleitfähigkeit.

Obgleich diese Parameter in den Massenmaterialien voneinander abhängig sind, ihn schwierig machend, die ZT-Werte zu optimieren, sind einige Verfahrenstechniken angewendet worden, um Nano-materialien oder Nano--zusammengesetzte Materialien zu fabrizieren, in denen die Parameter in der Niedrigabmessung unabhängig unterschieden werden können, während vorausgesagtes theoretically.and experimentell zeigte. 4

In diesem Artikel werden einige nanostructuring Anflüge für TE-Verbesserung in den verschiedenen Materialien eingeführt.

Wismut Tellurid-Thermoelektrische Materialien

Basierte TE (BiTe)23 Materialien des Wismuts Tellurid sind die festgelegten Materialien für nahe Raumtemperaturanwendungen, mit ZT von ~ 1. Verbesserungen in ZT sind in der niedrigen Abmessung Superlatticezelle sowie in Masse nanostructured Materialien erzielt worden.3,5 Das Vorhandensein von nanostructures mit den Größen, die als ein Phononmittelwert der freie Pfad kleiner sind, kann das Phonon groß erhöhen, das indem es Phonone der mittleren und langen Wellenlänge, mit dem Ergebnis der markierten Abnahme an der Wärmeleitfähigkeit zerstreut, zerstreut. Jedoch wegen des High-density von Kristallgrenzen, Elektronen werden auch effizient zerstreut und führen zu eine gleichzeitige Abnahme an der elektrischen Leitfähigkeit.

Folglich ist eine praktische Lösung die Vorbereitung von nanocomposites mit esteuertem Zusatz eines nanophase in die Grundmassephase. Wir haben den Anflug des Hinzufügens eines nanophase mit der gleichen Zusammensetzung als die Grundmassephase angesehen. 6,7 In diesem Prozess wurde das nanophase über einen hohen Durchsatz und wirtschaftlichen einen Schmelzspinnprozess vorbereitet. Dieser Prozess wurde für P-artiges BiSbTe und0.41.63 N-artige Bissanlagen23 eingeführt. Für N-artigen Biss23 wurde ein Maximum ZT von 1,18 an 42°C für das 10wt% nanocomposite erreicht, während ein Maximum ZT von 1,80 an 43°C für die P-artiges BiSbTe-nanocomposite bestehenden0.41.63 40wt% nanoinclusions erreicht wurde. Die beträchtliche Verbesserung in ZT wurde den Zusammensetzungen' Fähigkeit, einen Faktor der hohen Leistung beizubehalten bei gleichzeitig Wärmeleitfähigkeit drastisch verringern zugeschrieben.

Abbildung 1. (a) Typisches HRTEM und (b) SEM-Bilder des Schmelze gesponnenen Bisses23 basierten Verbundwerkstoffe und ihr erhöhtes ZT mit verringerter Wärmeleitfähigkeit von (c) P und (d) N-artig.

Verglichen mit der Abnahme der Wärmeleitfähigkeit, die scheint, der Hauptnutzen von Nanostructuring für TE-Materialien in den meisten Neuentwicklungen zu sein, ist der Anflug der Leistungsfaktorverbesserung, wahrscheinlicher aber ist schon selten berichtet worden.8 Wir haben gezeigt, dass, indem Sie die Korngröße auf De-Broglie-Wellenlänge und die Synthese einer komplexen Gerätenzelle verringern, für das Erzielen des Faktors der hohen Leistung effektiv seien Sie.

20 nanoparticles nm23 SbTe, die direkt durch CVD-Methode synthetisiert wurden, zeigten einen höheren Seebeck-Koeffizienten, der mit den großeren nanoparticles verglichen wurde (50nm und 100nm).9 Obgleich die Leitfähigkeit wenig verringerte, zeigte der kleinere Partikel noch einen Faktor der höheren Leistung.

Ähnlich zeigten gleichmäßig Misch-2 PbTe-PtTe multi-phasenweise nanoparticles eine Verbesserung im Leistungsfaktor durch mehr als zwei Größenordnungen verglichen mit reinem PbTe durch die Justage der Ladungsträgerkonzentration, indem sie das PbTe einstellten: PtTe-2 Verhältnis.10

Abbildung 2. (a) SEM-Bild des23 Dünnfilms SbTe-Nanoparticle und (b) seine elektrischen Eigenschaften.

Abbildung 3. (a) TEM-Bild von binären2 phasenweisen nanoparticles PbTe-PtTe mit Phasenverhältnis XPbTe = 0,5. (b) Verbesserung des Leistungsfaktors in den binären2 phasenweisen Nanoparticleproben PbTe-PtTe mit verschiedenen X-PbTe Werten.

Graphene und Kohlenstoff Nanotubes als Thermoelektrische Materialien

Abgesehen von traditionellen TE-Materialien wenige Schichten graphene (FLG) und Kohlenstoff sind (CNTs) nanotubes als neue TE-Materialien auch nachgeforscht worden.11,12 Wurden CNTs und FLG durch Plasmabehandlung geändert und erhöhte TE-Eigenschaften aufweisen. Der Prozess der Plasmabehandlung verursachte Defekte auf dem FLG und dem CNTs und verursachte die folgenden Änderungen:

  • Bandabstandsöffnung
  • Modifikation der Ladungsträgerdichte und
  • Verbesserung des Phononzerstreuens

Diese Modifikationen führen zu Verbesserung in TE-Eigenschaften des FLG und des CNTs. Die FLG-Filme wurden durch Sauerstoff Plasma und CNTs durch Argonplasma geändert.

Der Seebeck-Koeffizient von FLG wurde beträchtlich zu ~700 μV/K verglichen mit ~ 80 μV/K für die ursprünglichen FLG-Filme an 575K erhöht.11 Unterdessen blieb die Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit etwas aber weiterhin an einem hohen Wert von ~104 S/m. Infolgedessen war der maximale erzielte Leistungsfaktor ~4.5×10-3 WKm-2-1, das 15mal höher als das von ursprünglichen FLG-Filmen war.

Abbildung 4. (a) HRTEM-Bilder von FLG-Filmen nach Sauerstoffplasmabehandlung. Die Einfügung zeigt das entsprechende SAED-Muster, das den formlosen Status für Proben nach Sauerstoffplasmabehandlung bestätigt. Die gelben Kreise markieren kleine Kristalle von caron in solchen Filmen, während die roten Kreise die zerrüttete Anordnung für Kohlenstoffatome unterstreichen. (b) Leistungsfaktor für die FLG-Filme nach verschiedenen Sauerstoffplasmabehandlungen.

Für das CNTs wurden die Proben als flexible Papiere vorbereitet. Der Seebeck-Koeffizient wurde auf ~350 μV/K an 670K, eine Zunahme mit 7 Falten verglichen mit dem ursprünglichen Material bei der gleichen Temperatur erhöht. Ähnlich FLG, verringerte sich die elektrische Leitfähigkeit des Plasma behandelten CNTs auch, aber blieb an einem annehmbaren Wert. Die Wärmeleitfähigkeit von CNT-Papieren lag sehr niedrig an der Entstehung von gelegentlichen Netzen. Insbesondere zeigte die Plasma behandelte Probe eine sehr niedrige Wärmeleitfähigkeit von ~0,3 Mit (m×K). Der ZT-Wert von CNT-Papieren wurden beträchtlich bis 0,4 von 0,01 nach Plasmabehandlung an 670K erhöht. Solche Verbesserung zeigen vielleicht der Anwendung von Plasma behandelten CNT-Papieren, um flexible TE-Einheiten zu fabrizieren.12

Abbildung 5. (a) Optische Bilder von flexsible CNT-Papier. (b) Verbesserung von ZT und Seebeck-Koeffizient diese CNT-Papier nach unterschiedlicher AR-Plasmabehandlungsdauer.

Stellvertretende Lackierung mit Bevorzugter Orientierungs-Regelung

Ein Anderer Anflug, zum des Leistungsfaktors zu erhöhen ist die Kombination der stellvertretenden Lackierung mit bevorzugter Orientierungsregelung unter Verwendung der pulsierter Laser-Absetzungs (PLD)technik. Zum Beispiel ist349 CaCoO eins der besten TE-Oxide wegen seiner hohen Temperatur ZT von 0,83 an 1000K.13 Jedoch wegen der starken Anisotrophie im Kristallwachstum und im elektrischen Transport, sind große einzelne Kristalle schwierig zu fabrizieren.13 Indem man PLD verwendete, konnten Dünnfilme, die gut mit perfekter Cschwerpunkt Orientierung kristallisiert wurden, vorbereitet werden, und die auf gleicher Ebene elektrischen Eigenschaften wurden gefunden, um mit einzelnen Kristallen vergleichbar zu sein.14 Außerdem konnte Bisubstitution die elektrische Widerstandskraft der Dünnfilme bei der Vergrößerung des Seebeck-Koeffizienten verringern. Der Leistungsfaktor von Bi-Lackierten CaCoO-basierten349 Dünnfilmen wurden gefunden, um ~21% zu verbessern und mWmK 1,016 bei-1-2 950 K. erreichten.15

Abbildung 6. (a) TEM-Bild Bi-Lackierten349 Dünnfilms CaCoO. (b) Verbesserung des Koeffizient- und Leistungsfaktors Seebeck durch Bisubstitution.

Zusammenfassung

Zusammenfassend kann das Nanostructuring durch verschiedene fortgeschrittene Techniken angewendet werden und kann große Gelegenheit zur Verfügung stellen, die TE-Leistung von herkömmlichen und neuen Materialien zu verbessern. Weitere Optimierung und Skalierung erweitern die Anwendung von TE-Einheiten in naher Zukunft, damit sie verwendet werden können, um Energieeffizienz zu verbessern und CO-Emissionen2 zu verringern.


Bezüge

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  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts et al., „Thermoelektrische Dünnschichteinheiten mit hohen Raumtemperaturleistungszahlen,“ Natur 413(6856), 597-602 (2001).
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  5. B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma et al., „Hoch-Thermoelektrische Leistung von nanostructured Wismutantimontellurid-Massenlegierungen,“ Wissenschaft 320(5876), 634-638 (2008).
  6. S.F. Fan, J.N. Zhao, J. Guo et al., „P-artige BiSbTe-0.41.63 nanocomposites mit erhöhter Leistungszahl,“ Appl. Phys. Lett. 96(18) (2010).
  7. S.F. Fan, J.N. Zhao, Q.Y. Yan et al., „Einfluss von Nanoinclusions auf Thermoelektrische Eigenschaften des N-Artigen Bisses23 Nanocomposites,“ J. Electronic Mater. 40(5), 1018-1023 (2011).
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Date Added: Apr 11, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:21

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