Cosechando la Energía Inútil - Materiales Termoeléctricos de Nanostructured

Por Profesor Huey Hoon Hng

Profesor Adjunto Huey Hoon HNG, Silla del Socio (Académica), Escuela de la Ciencia Material y Ingeniería, Universidad Tecnológica de Nanyang, Singapur. Autor Correspondiente: ashhhng@ntu.edu.sg

Debido a la preocupación global cada vez mayor de la demanda energética y del crecimiento por las consecuencias para el medio ambiente de las emisiones2 del CO, hay una necesidad de intentar soluciones para transitar de los combustibles fósiles a la energía sostenible.

Se sabe que de toda la energía primaria aprovechamos y uso, sólo el 30% se traduce a trabajo útil. Un 70% que escalona se pierde como calor disipado durante la conversión, el transporte y el almacenamiento de energía. Esta baja enorme es sí mismo una fuente de la energía reciclable. Si el fuga del calor residual se puede disminuir haciendo el calor aprovechar, ser salvado y ser reutilizado, los recursos energéticos disponibles adicionales podrían ser enormes.1

Materiales Termoeléctricos

Los materiales (TE) Termoeléctricos mantienen la gran promesa para convertir energía del calor residual en electricidad. Los sistemas de TE tienen muchas ventajas únicas, e.g silencioso, seguro y escalable. Sin Embargo, el actual uso de los dispositivos de TE es limitado por sus bajos rendimientos. 2

Para lograr la meta de la conversión de energía así como de la rentabilidad de gran eficacia, los materiales tradicionales actuales de TE no son satisfactorios. Los materiales de la Nueva generación TE tienen que ser desarrollados para traer impactos alrededor de previsibles.

Eficiencia de Conversión de Energía de Materiales Termoeléctricos

La eficiencia de conversión de energía de un material de TE se puede evaluar por un figura-de-mérito sin dimensiones

ZT = ST/2(rk),

donde están el coeficiente de Seebeck (también llamado thermopower), temperatura absoluta, resistencia eléctrica y conductividad S, T, r y k térmica, respectivamente.3 Los materiales Excelentes de TE deben exhibir un factor de potencia grande (S/r)2 para las propiedades eléctricas así como la conductividad térmica inferior.

Aunque estos parámetros sean interdependientes en los materiales a granel, haciéndolo difícil optimizar los valores de ZT, varias técnicas de tramitación se han aplicado para fabricar los nano-materiales o los materiales nano-compuestos, donde los parámetros en la inferior-dimensión pueden ser variados independientemente mientras que theoretically.and previsto demostró experimental. 4

En este artículo, varias aproximaciones nanostructuring para el aumento de TE en diversos materiales serán introducidas.

Materiales Termoeléctricos del Telururo del Bismuto

Los materiales basados (BiTe)23 telururo del Bismuto TE son los materiales establecidos para las aplicaciones cercanas de la temperatura ambiente, con ZT de los Aumentos del ~ 1. en ZT se han logrado en estructura inferior del superretículo de la dimensión así como en materiales nanostructured bulto.3,5 La presencia de nanostructures con las tallas más pequeñas que un medio del fonón el camino libre puede aumentar grandemente el fonón que dispersa dispersando fonones de la longitud de onda mediados de y larga, dando por resultado la disminución marcada de la conductividad térmica. Sin Embargo, debido a la alta densidad de los límites de grano, electrones también se dispersan eficientemente, llevando a una disminución simultánea de la conductividad eléctrica.

Por Lo Tanto, una solución práctica será la preparación de nanocomposites con la adición controlada de un nanophase en la fase de la matriz. Hemos considerado la aproximación de agregar un nanophase con la misma composición que la fase de la matriz. 6,7 En este proceso, el nanophase fue preparado vía una alta producción y un proceso económico del giro de derretimiento. Este proceso fue ejecutado para el p-tipo BiSbTe0.41.63 y el n-tipo sistemas23 de la Mordedura. Para el n-tipo Mordedura23, un máximo ZT de 1,18 en 42°C fue obtenido para el nanocomposite del 10wt% mientras que un máximo ZT de 1,80 fue logrado en 43°C para el p-tipo nanoinclusions0.41.63 compuesto del nanocomposite el 40wt% de BiSbTe. La mejoría importante en ZT fue atribuida capacidad a los compuestos' de conservar un factor de poder más elevado mientras que al mismo tiempo drástico reducía conductividad térmica.

El Cuadro 1. (a) HRTEM Típico y (b) las imágenes de SEM de la Mordedura hecha girar derretimiento23 basaron los materiales compuestos y su ZT aumentado con conductividad térmica disminuida (c) del p y (d) del n-tipo.

Comparado con la disminución de la conductividad térmica, que parece ser la ventaja primaria de nanostructuring para los materiales de TE en la mayoría de los recientes desarrollos, la aproximación del aumento del factor de potencia es más probable pero todavía ha estado señalada raramente.8 Hemos demostrado que disminuyendo la talla de grano a la longitud de onda de Broglie y la síntesis de una célula de unidad compleja sea efectivo para lograr factor de poder más elevado.

20 nanoparticles del nanómetro23 SbTe sintetizados directamente por método del CVD mostraron un coeficiente más alto de Seebeck comparado a los nanoparticles más de gran tamaño (50nm y 100nm).9 Aunque la conductividad disminuyera un poco, la partícula más tamaño pequeño todavía demostró un factor de mayor potencia.

Semejantemente, los nanoparticles multi-organizados PbTe-PtTe2 uniformemente mezclados mostraron un aumento en el factor de potencia por más de dos órdenes de magnitud con respecto a PbTe puro con la sintonización de la concentración de portador de carga ajustando el PbTe: Relación de transformación2 de PtTe.10

Cuadro 2. (a) imagen de SEM de la película23 fina del nanoparticle de SbTe y (b) sus propiedades eléctricas.

Cuadro 3. (a) imagen de TEM de los nanoparticles2 organizados binarios de PbTe-PtTe con la relación de transformación X =PbTe 0,5 de la fase. (b) Aumento del factor de potencia en muestras2 organizadas binarias del nanoparticle de PbTe-PtTe con diversos valoresPbTe de X.

Graphene y Carbón Nanotubes como Materiales Termoeléctricos

Aparte de los materiales tradicionales de TE, los nanotubes del graphene de pocas (FLG) capas y del carbón (CNTs) como materiales nuevos de TE también se han investigado.11,12 CNTs y FLG fueron modificados por el tratamiento del plasma y exhiben propiedades aumentadas de TE. El proceso del tratamiento del plasma indujo defectos en el FLG y el CNTs y causó los cambios siguientes:

  • apertura de la separación de banda
  • modificación de la concentración de portador y
  • aumento de dispersar del fonón

Estas modificaciones llevan al aumento en las propiedades de TE del FLG y del CNTs. Las películas de FLG fueron modificadas por el plasma y CNTs del oxígeno por el plasma del argón.

El coeficiente de Seebeck de FLG fue aumentado importante a ~700 μV/K con respecto al ~ 80 μV/K para las películas prístinas de FLG en 575K.11 Mientras Tanto, todavía seguía habiendo la disminución de la conductividad eléctrica ligeramente pero en un elevado valor de ~104 S/m. Por Lo Tanto, el factor de potencia máximo logrado era ~4.5×10-3 WKm-2-1, que era 15 veces más arriba que el de las películas prístinas de FLG.

Cuadro 4. (a) imágenes de HRTEM de las películas de FLG después del tratamiento del plasma del oxígeno. La inserción muestra el modelo correspondiente de SAED, que confirma el estatus amorfo para las muestras después del tratamiento del plasma del oxígeno. Los círculos amarillos destacan pequeños cristales del caron en tales películas mientras que los círculos rojos señalan la ordenación desordenada de los átomos de carbón. (b) Factor de Potencia para las películas de FLG después de diversos tratamientos del plasma del oxígeno.

Para el CNTs, las muestras fueron preparadas como papeles flexibles. El coeficiente de Seebeck fue aumentado a ~350 μV/K en 670K, un aumento de 7 dobleces con respecto al material prístino en la misma temperatura. Similar a FLG, seguía habiendo la conductividad eléctrica del CNTs tratado plasma también disminuyó pero en un valor aceptable. La conductividad térmica de los papeles de CNT era muy bajo debido a la formación de redes al azar. Particularmente, la muestra tratada plasma mostró una conductividad térmica muy inferior de ~0,3 Con (m×K). El valor de ZT de los papeles de CNT fue aumentado importante a 0,4 a partir de la 0,01 después del tratamiento del plasma en 670K. Tal mejoría demuestra posiblemente de usar los papeles tratados plasma de CNT para fabricar los dispositivos flexibles de TE.12

Cuadro 5. (a) imágenes Ópticas del papel flexsible de CNT. (b) Aumento de ZT y coeficiente de Seebeck de papel de estos CNT después de diversas duraciones del tratamiento del plasma de AR.

Doping Sustitutivo con Mando Preferido de la Orientación

Otra aproximación para aumentar factor de potencia es la combinación del doping sustitutivo con mando preferido de la orientación usando técnica de la deposición del laser (PLD) pulsado. Por ejemplo, CaCoO349 es uno de los mejores óxidos de TE debido a su ZT de alta temperatura de 0,83 en 1000K.13 Sin Embargo, debido a la anisotropía fuerte en el incremento cristalino y el transporte eléctrico, los únicos cristales de gran tamaño son difíciles de fabricar.13 Usando PLD, las películas finas que fueron cristalizadas bien con la orientación perfecta de c-AXIS se podrían preparar, y el en-avión que las propiedades eléctricas fueron encontradas para ser comparables a los únicos cristales.14 Además, la substitución del BI podía reducir la resistencia eléctrica de las películas finas mientras que aumentaba el coeficiente de Seebeck. El factor de potencia de películas finas349 CaCoO-basadas BI-Dopadas fue encontrado para mejorar el ~21% y alcanzó el mWmK 1,016-1-2 en 950 K.15

Cuadro 6. (a) imagen de TEM de la película fina349 BI-Dopada de CaCoO. (b) Aumento del factor del coeficiente y de potencia de Seebeck por la substitución del BI.

Resumen

En resumen, el nanostructuring se puede aplicar por diversas técnicas avanzadas y puede proporcionar a gran oportunidad de mejorar el funcionamiento de TE de materiales convencionales y nuevos. La optimización y la graduación a escala Adicionales ensancharán la aplicación de los dispositivos de TE en un futuro próximo para poderlas utilizar para mejorar rendimiento energético y para disminuir emisiones2 del CO.


Referencias

  1. Ryoji Funahashi y Saori Urata, “Fabricación y Aplicación de un Sistema Termoeléctrico del Óxido,” Internacional. J. App. Ceram. Technol. 4(4), 297-307 (2007).
  2. F.J. DiSalvo, “enfriamiento y producción de energía Termoeléctricos,” Ciencia 285(5428), 703-706 (1999).
  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts y otros, “dispositivos termoeléctricos de la Fino-Película con las altas figuras de la temperatura ambiente del mérito,” Naturaleza 413(6856), 597-602 (2001).
  4. L.D. Hicks y M.S. Dresselhaus, “Efecto de las Estructuras de Quantum-Bien sobre la Figura del Mérito Termoeléctrica,” Phys. Rev. B 47(19), 12727-12731 (1993).
  5. B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma y otros, “funcionamiento Alto-Termoeléctrico de las aleaciones nanostructured del bulto del telururo del antimonio del bismuto,” Ciencia 320(5876), 634-638 (2008).
  6. S.F. Fan, J.N. Zhao, J. Guo y otros, “p-tipo nanocomposites0.41.63 de BiSbTe con la figura del mérito aumentada,” Appl. Phys. Lett. 96(18) (2010).
  7. S.F. Fan, J.N. Zhao, Q.Y. Yan y otros, “Influencia de Nanoinclusions en Propiedades Termoeléctricas del n-Tipo Mordedura23 Nanocomposites,” J. Electronic Mater. 40(5), 1018-1023 (2011).
  8. C.J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar y otros, “Nanostructured Thermoelectrics: Avances Grandes de la Eficiencia Adv de las Pequeñas Características”. Mater. 22(36), 3970-3980 (2010).
  9. J. Chen, T. Sun, D. Sim y otros, “SbTe23 Nanoparticles con el Coeficiente Aumentado de Seebeck y la Conductividad Térmica Inferior,” Chem. Mater. 22(10), 3086-3092 (2010).
  10. W.W. Zhou, J.X. Zhu, D. Li y otros, “Binario-Organizó Nanoparticles para las Propiedades Termoeléctricas Aumentadas,” los Adv. Mater. 21(31), 3196-3200 (2009).
  11. N. Xiao, X.C. Dong, L. Song y otros, “Aumentó Thermopower de las Películas de Graphene con el Tratamiento del Plasma del Oxígeno,” ACS 5(4) Nano, 2749-2755 (2011).
  12. Weiyun Zhao, Ventilator de Shufen, Ni Xiao y otros, “los papeles Flexibles del nanotube del carbón con las propiedades termoeléctricas mejoradas,” Energía Rodea Sci 5(1), 5364-5369 (2012).
  13. M. Shikano y R. Funahashi, “las propiedades Eléctricas y térmicas de monocristalino (CaCoO23)0.7 Arrullan2 con una estructura349 de CaCoO,” Appl. Phys. Lett. 82(12), 1851-1853 (2003).
  14. T. Sun, J. Ma, Q.Y. Yan y otros, “Influencia del tipo de deposición del laser pulsado en la microestructura y propiedades termoeléctricas de las películas349 finas de CaCoO,” J. Cryst. Incremento 311(16), 4123-4128 (2009).
  15. T. Sun, H.H. Hng, Q.Y. Yan y otros, “Aumentó las propiedades termoeléctricas das alta temperatura de las películas finas orientadas c-AXIS349 BI-Dopadas de CaCoO por la deposición del laser pulsado,” J. Appl. Phys. 108(8), 083709 (2010).

Date Added: Apr 11, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:51

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit