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Moissonnant l'Énergie De Rebut - Matériaux Thermoélectriques de Nanostructured

Par Professeur Huey Hoon Hng

Professeur Agrégé Huey Hoon HNG, Présidence d'Associé (Universitaire), École de Science Des Matériaux Et Bureau D'études, Université Technologique de Nanyang, Singapour. Auteur Correspondant : ashhhng@ntu.edu.sg

En Raison de la préoccupation globale toujours croissante de demande énergétique et d'élevage au-dessus de l'impact sur l'environnement des émissions2 de CO, il y a un besoin de rechercher des solutions pour transiter des combustibles fossiles à l'énergie viable.

On le sait que de toute l'énergie primaire nous armons et utilisation, seulement 30% est traduit en travail utile. Un 70% de décalage est gaspillé comme la chaleur dispersée pendant la conversion, le transport et la mémoire d'énergie. Cette perte énorme est elle-même une source d'énergie recyclable. Si la fuite de chaleur résiduelle peut être réduite à un minimum en faisant armer la chaleur, être enregistrée et réutilisere, les ressources énergétiques disponibles supplémentaires pourraient être énormes.1

Matériaux Thermoélectriques

Les matériaux (TE) Thermoélectriques retiennent la promesse grande pour convertir l'énergie de chaleur résiduelle en électricité. Les systèmes de TE ont beaucoup de seuls avantages, par exemple silencieux, fiable et évolutif. Cependant, l'utilisation actuelle des dispositifs de TE est limitée par leurs efficiences faibles. 2

Pour atteindre l'objectif de la conversion d'énergie ainsi que de la rentabilité à haut rendement, les matériaux traditionnels actuels de TE ne sont pas satisfaisants. Des matériaux du rétablissement Neuf TE doivent être développés pour provoquer des incidences prévisibles.

Efficience de Conversion d'Énergie des Matériaux Thermoélectriques

L'efficience de conversion d'énergie d'un matériau de TE peut être évaluée par un chiffre-de-mérite sans dimensions

ZT = ST2 (rk),

là où S, T, r et k sont le coefficient de Seebeck (aussi thermopower appelé), température absolue, résistivité électrique et conduction thermique, respectivement.3 Les Excellents matériaux de TE devraient montrer un facteur de pouvoir étendu (S/r)2 pour les propriétés électriques ainsi que la conduction thermique faible.

Bien Que ces paramètres soient interdépendants en vrac les matériaux, le rendant difficile d'optimiser les valeurs de ZT, plusieurs techniques de traitement ont été appliquées pour fabriquer des nano-matériaux ou les matériaux nano-composés, où les paramètres dans la faible-cote peuvent être variés indépendamment pendant que theoretically.and prévu expliquait expérimental. 4

En cet article, plusieurs élans nanostructuring pour l'amélioration de TE dans différents matériaux seront introduits.

Matériaux Thermoélectriques de Tellurure de Bismuth

Les matériaux basés (BiTe)23 du tellurure TE de Bismuth sont les matériaux les plus déterminés pour des applications proches de température ambiante, avec ZT des Améliorations du ~ 1. dans ZT ont été réalisés en structure faible de super-réseau de cote ainsi qu'en vrac les matériaux nanostructured.3,5 La présence des nanostructures avec des tailles plus petites qu'un moyen de phonon le libre parcours peut grand augmenter le phonon dispersant en dispersant des phonons de mi et longue longueur d'onde, ayant pour résultat la diminution marquée de la conduction thermique. Cependant, en raison de la haute densité de joints de grain, électrons sont également dispersés efficacement, menant à une diminution simultanée de la conductivité électrique.

Par Conséquent, une solution pratique sera la préparation des nanocomposites avec l'ajout réglé d'un nanophase dans la phase de modification. Nous avons considéré l'élan d'ajouter un nanophase avec la même composition que la phase de modification. 6,7 Dans ce procédé, le nanophase a été préparé par l'intermédiaire d'un débit élevé et d'un procédé économique de filage à chaud. Ce procédé a été mis en application pour BiSbTe de type p0.41.63 et systèmes de type n23 de Morsure. Pour la Morsure de type n23, un maximum de ZT de 1,18 à 42°C a été obtenu pour le nanocomposite de 10wt% tandis qu'un maximum de ZT de 1,80 était atteint à 43°C pour les nanoinclusions consistants0.41.63 du nanocomposite de type p 40wt% de BiSbTe. L'importante amélioration dans ZT a été attribuée capacité à composés' de maintenir un facteur de haute énergie tout en en même temps rigoureusement réduisant la conduction thermique.

Le Schéma 1. (a) HRTEM Particulier et (b) les images de SEM de la fonte ont tourné les matériaux composites23 basés de Morsure et leur ZT amélioré avec la conduction thermique diminuée (c) du p et (d) de type n.

Avec la diminution de la conduction thermique, qui semble être l'avantage primaire de nanostructuring pour des matériaux de TE dans la plupart des développements récents, l'élan de l'amélioration de facteur de puissance est plus susceptible mais encore a été rarement enregistré.8 Nous avons expliqué qu'en diminuant le grosseur du grain à la longueur d'onde de Broglie et la synthèse d'une cellule d'ensemble complexe soyez pertinent pour réaliser le facteur de haute énergie.

20 nanoparticles de nanomètre23 SbTe directement synthétisés par la méthode de CVD ont affiché un coefficient plus élevé de Seebeck comparé aux nanoparticles plus de grande taille (50nm et 100nm).9 Bien Que la conductivité ait diminué, la particule plus de petite taille expliquait toujours un facteur de puissance plus élevée.

De Même, les nanoparticles multi-mis en phase par PbTe-PtTe2 uniformément mélangés ont affiché une amélioration dans le facteur de puissance par plus de deux ordres de grandeur par rapport à PbTe pur en ajustant la concentration en porteur de charge en réglant le PbTe : Taux2 de PtTe.10

Le Schéma 2. (a) image de SEM du film mince23 de nanoparticle de SbTe et (b) ses propriétés électriques.

Le Schéma 3. (a) image de TEM de binaire2 de PbTe-PtTe a mis des nanoparticles en phase avec le taux X =PbTe 0,5 de phase. (b) L'Amélioration du facteur de puissance dans la binaire2 de PbTe-PtTe a mis des échantillons en phase de nanoparticle avec des valeurs variéesPbTe de X.

Nanotubes de Graphene et de Carbone en tant que Matériaux Thermoélectriques

Indépendamment des matériaux traditionnels de TE, des nanotubes de graphene de peu (FLG) de couches et de carbone (CNTs) en tant que matériaux nouveaux de TE ont été également vérifiés.11,12 CNTs et FLG ont été modifiés par demande de règlement de plasma et présentent les propriétés améliorées de TE. Le procédé des défauts induits de demande de règlement de plasma sur le FLG et le CNTs et entraînés les modifications suivantes :

  • ouverture d'écartement de bande
  • modification de concentration en porteur et
  • amélioration de la dispersion de phonon

Ces modifications mènent à l'amélioration dans des propriétés de TE du FLG et du CNTs. Les films de FLG ont été modifiés par le plasma et le CNTs de l'oxygène par le plasma d'argon.

Le coefficient de Seebeck de FLG était sensiblement amélioré à ~700 μV/K par rapport au ~ 80 μV/K pour les films d'origine de FLG à 575K.11 En Attendant, la diminution de conductivité électrique légèrement mais demeurait toujours à une valeur élevée de ~104 S/m. En Conséquence, le facteur de puissance maximum réalisé était ~4.5×10-3 WKm-2-1, qui était 15 fois plus haut que cela des films d'origine de FLG.

Le Schéma 4. (a) images de HRTEM des films de FLG après demande de règlement de plasma de l'oxygène. La vignette affiche la configuration correspondante de SAED, qui confirme le mode amorphe pour des échantillons après demande de règlement de plasma de l'oxygène. Les cercles jaunes mettent en valeur de petits cristaux de caron en de tels films tandis que les cercles rouges précisent l'arrangement désordonné des atomes de carbone. (b) Facteur de Puissance pour les films de FLG après différentes demandes de règlement de plasma de l'oxygène.

Pour le CNTs, les échantillons ont été préparés en tant que papiers flexibles. Le coefficient de Seebeck a été grimpé jusqu'à ~350 μV/K à 670K, une augmentation de 7 fois par rapport au matériau d'origine à la même température. Assimilé à FLG, la conductivité électrique du CNTs traité par plasma a également diminué mais est demeurée à une valeur acceptable. La conduction thermique des papiers de CNT était très bas due à la formation des réseaux irréguliers. En particulier, l'échantillon traité par plasma a affiché une conduction thermique très faible de ~0,3 Avec (m×K). La valeur de ZT des papiers de CNT étaient sensiblement améliorée à 0,4 de 0,01 après demande de règlement de plasma à 670K. Une Telle amélioration expliquent probablement d'employer les papiers de CNT traités par plasma pour fabriquer les dispositifs flexibles de TE.12

Le Schéma 5. (a) images Optiques du papier flexsible de CNT. (b) Amélioration de ZT et coefficient de Seebeck de papier de ces CNT après différentes durées du traitement de plasma de l'AR.

Enduire Substitutional du Contrôle Préféré d'Orientation

Un Autre élan pour augmenter le facteur de puissance est la combinaison d'enduire substitutional du contrôle préféré d'orientation utilisant la technique de dépôt de laser (PLD) pulsé. Par exemple, CaCoO349 est l'un des meilleurs oxydes de TE dus à sa température élevée ZT de 0,83 à 1000K.13 Cependant, en raison de l'anisotropie intense dans la cristallogénèse et le transport électrique, il est difficile fabriquer les monocristaux de grande taille.13 À l'aide de PLD, des films minces qui ont été bien cristallisés avec l'orientation parfaite de c-axe pourraient être préparés, et le dans-plan des propriétés qu'électriques se sont avérées comparables aux monocristaux.14 En Outre, le remplacement de Bi a pu réduire la résistivité électrique des films minces tout en augmentant le coefficient de Seebeck. Le facteur de puissance des films minces CaCoO-basés349 Bi-Dopés se sont avérés pour améliorer ~21% et ont atteint le mWmK 1,016-1-2 à 950 K.15

Le Schéma 6. (a) image de TEM de film mince Bi-Dopé349 de CaCoO. (b) Amélioration de facteur de coefficient et de puissance de Seebeck par le remplacement de Bi.

Résumé

En résumé, nanostructuring peut être appliqué par des techniques avancées variées et peut fournir la grande opportunité d'améliorer la performance de TE des matériaux conventionnels et neufs. Davantage d'optimisation et de graduation élargiront l'application des dispositifs de TE dans un avenir proche de sorte qu'elles puissent être employées pour améliorer le rendement énergétique et pour diminuer des émissions2 de CO.


Références

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  2. F.J. DiSalvo, « refroidissement et production d'électricité Thermoélectriques, » la Science 285(5428), 703-706 (1999).
  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts et autres, « dispositifs thermoélectriques En Couche Mince avec les facteurs de mérite de température ambiante élevés, » Nature 413(6856), 597-602 (2001).
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  15. T. Le Sun, H.H. Hng, Q.Y. Yan et autres, « les propriétés thermoélectriques de température élevée Améliorée du c-axe Bi-Dopé a installé des films minces349 de CaCoO par dépôt de laser pulsé, » J. Appl. Phys. 108(8), 083709 (2010).

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

Last Update: 14. June 2013 09:18

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