Raccogliendo Energia Residua - Materiali Termoelettrici di Nanostructured

Dal Professor Huey Hoon Hng

Professore Associato Huey Hoon HNG, Presidenza del Socio (Accademica), Banco di Scienza dei Materiali & Assistenza Tecnica, Nanyang Technological University, Singapore. Autore Corrispondente: ashhhng@ntu.edu.sg

dovuto la preoccupazione globale in continuo aumento di crescita e di domanda di energia sopra l'impatto ambientale delle emissioni2 di CO, c'è una necessità di cercare le soluzioni per transitare dai combustibili fossili ad energia sostenibile.

È conosciuto che di tutta l'energia primaria sfruttiamo ed uso, solo 30% è tradotto in lavoro utile. Un 70% di vacillamento è sprecato come il calore dissipato durante la conversione, il trasporto e l'archiviazione di energia. Questa perdita enorme è stessa una sorgente di energia riciclabile. Se la dispersione di cascami di calore può essere minimizzata facendo sfruttare il calore, memorizzato e riutilizzato, le risorse energetiche disponibili supplementari potrebbero essere enormi.1

Materiali Termoelettrici

Grande (TE) promessa della tenuta Termoelettrica dei materiali per la conversione dell'energia di cascami di calore in elettricità. I sistemi di TE presentano molti vantaggi unici, per esempio silenzioso, affidabile ed evolutivo. Tuttavia, l'uso attuale delle unità di TE è limitato dai loro bassi rendimenti. 2

Per raggiungere lo scopo della conversione di energia di alto-risparmio di temi come pure della convenienza, i materiali tradizionali correnti di TE non sono soddisfacenti. I materiali della Nuova generazione TE devono essere sviluppati per determinare gli impatti prevedibili.

Risparmio Di Temi di Conversione di Energia dei Materiali Termoelettrici

Il risparmio di temi di conversione di energia di un materiale di TE può essere valutato da un figura-de-merito senza dimensioni

ZT = ST2 (rk),

dove la S, T, le r ed il K sono il coefficiente di Seebeck (anche chiamato thermopower), temperatura assoluta, resistività elettrica e la conducibilità termica, rispettivamente.3 I materiali Eccellenti di TE dovrebbero esibire un grande fattore di potenza (S/r)2 per i beni elettrici come pure la conducibilità termica bassa.

Sebbene questi parametri siano interdipendenti all'ingrosso i materiali, rendente lo difficile ottimizzare i valori di ZT, parecchie tecniche di trattamento si sono applicate per da costruzione i nano-materiali o i materiali nano-compositi, in cui i parametri nella basso dimensione possono essere variati indipendente mentre theoretically.and preveduto ha dimostrato sperimentalmente. 4

In questo articolo, parecchi approcci nanostructuring per il potenziamento di TE in materiali differenti saranno introdotti.

Materiali Termoelettrici del Tellururo del Bismuto

I materiali basati (BiTe)23 tellururo del Bismuto TE sono i materiali stabiliti per le applicazioni vicine di temperatura ambiente, con ZT dei Potenziamenti del ~ 1. in ZT sono stati raggiunti in struttura bassa di superreticolo di dimensione come pure all'ingrosso i materiali nanostructured.3,5 La presenza di nanostructures con le dimensioni più piccole di una media di fonone il percorso libero può notevolmente migliorare lo scattering di fonone spargendo i fononi di metà di e lunghezza d'onda lunga, con conseguente profonda diminuzione nella conducibilità termica. Tuttavia, dovuto l'alta densità dei limiti di granulo, elettroni egualmente sono sparsi efficientemente, piombo ad una diminuzione concorrente nella conduttività elettrica.

Quindi, una soluzione pratica sarà il preparato dei nanocomposites con l'aggiunta controllata di un nanophase nella fase della matrice. Abbiamo considerato l'approccio di aggiunta del nanophase con la stessa composizione della fase della matrice. 6,7 In questo trattamento, il nanophase è stato preparato via un'alta capacità di lavorazione e un trattamento economico di filatura di colata. Questo trattamento è stato applicato per sia BiSbTe P tipo0.41.63 che i sistemi N tipi23 del Morso. Per il Morso N tipo23, un massimo ZT di 1,18 a 42°C è stato ottenuto per il nanocomposite di 10wt% mentre un massimo ZT di 1,80 è stato raggiunto a 43°C per i nanoinclusions consistenti0.41.63 del nanocomposite P tipo 40wt% di BiSbTe. Il miglioramento significativo in ZT è stato attribuito capacità ai compositi' di conservare un fattore di alto potere mentre allo stesso tempo drasticamente diminuiva la conducibilità termica.

Figura 1. (a) HRTEM Tipico e (b) le immagini di SEM del Morso filato colata23 hanno basato i materiali compositi ed il loro ZT migliorato con la conducibilità termica in diminuzione di (c) P e (d) N tipo.

Rispetto alla diminuzione della conducibilità termica, che sembra essere il vantaggio primario di nanostructuring per i materiali di TE nella maggior parte dei sviluppi recenti, l'approccio del potenziamento di fattore di potenza è più probabile ma ancora raramente è stato riferito.8 Abbiamo dimostrato che facendo diminuire la granulometria alla lunghezza d'onda di de Broglie e la sintesi di una cella di unità complessa sia efficace per il raggiungimento del fattore di alto potere.

20 nanoparticelle di nanometro23 SbTe direttamente sintetizzate con il metodo di CVD hanno mostrato un più alto coefficiente di Seebeck confrontato alle più grandi nanoparticelle (50nm e 100nm).9 Sebbene la conducibilità faccia diminuire un piccolo, la particella più di piccola dimensione ancora ha dimostrato un più alto fattore di potenza.

Similmente, le nanoparticelle multi-sincronizzate PbTe-PtTe2 costante miste hanno mostrato un potenziamento nel fattore di potenza da più di due ordini di grandezza rispetto a PbTe puro through sintonizzando la concentrazione in portatore di carica regolando il PbTe: Rapporto2 di PtTe.10

Figura 2. (a) immagine di SEM della pellicola23 sottile di nanoparticella di SbTe e (b) i sui beni elettrici.

La Figura 3. (a) immagine di TEM del file binario2 di PbTe-PtTe ha sincronizzato le nanoparticelle con i rapporti X =PbTe 0,5 di fase. (b) il Potenziamento del fattore di potenza nel file binario2 di PbTe-PtTe ha sincronizzato i campioni di nanoparticella con i vari valoriPbTe di X.

Graphene e Carbonio Nanotubes come Materiali Termoelettrici

Oltre ai materiali tradizionali di TE, i nanotubes del graphene di pochi (FLG) livelli e del carbonio (CNTs) come materiali novelli di TE egualmente sono stati studiati.11,12 Sia CNTs che FLG sono stati modificati dal trattamento del plasma e presentano i beni migliorati di TE. Il trattamento del trattamento del plasma ha indotto i difetti sul FLG e sul CNTs ed ha causato i seguenti cambiamenti:

  • apertura di intervallo di banda
  • modifica di concentrazione in portafili e
  • potenziamento dello scattering di fonone

Queste modifiche piombo al potenziamento nei beni di TE del FLG e del CNTs. Le pellicole di FLG sono state modificate dal plasma e da CNTs dell'ossigeno dal plasma dell'argon.

Il coefficiente di Seebeck di FLG è stato migliorato significativamente a ~700 μV/K rispetto a ~ 80 μV/K per le pellicole incontaminate di FLG a 575K.11 Nel Frattempo, la diminuzione di conduttività elettrica leggermente ma ancora è rimanere ad un valore alto di ~104 S/m. Di Conseguenza, il fattore di potenza massimo raggiunto era ~4.5×10-3 WKm-2-1, che era 15 volte superiore a quello delle pellicole incontaminate di FLG.

Figura 4. (a) immagini di HRTEM delle pellicole di FLG dopo il trattamento del plasma dell'ossigeno. L'inserzione mostra il reticolo corrispondente di SAED, che conferma lo stato amorfo per i campioni dopo il trattamento del plasma dell'ossigeno. I cerchi gialli evidenziano i piccoli cristalli di caron in tali pellicole mentre i cerchi rossi precisano la disposizione disordinata degli atomi di carbonio. (b) Fattore di potenza per le pellicole di FLG dopo i trattamenti differenti del plasma dell'ossigeno.

Per il CNTs, i campioni sono stati preparati come documenti flessibili. Il coefficiente di Seebeck è stato aumentato a ~350 μV/K a 670K, un aumento di 7 volte rispetto al materiale incontaminato alla stessa temperatura. Simile a FLG, la conduttività elettrica del CNTs trattato plasma egualmente è diminuito ma rimanere ad un valore accettabile. La conducibilità termica dei documenti di CNT era molto in basso dovuto la formazione di reti casuali. In particolare, il campione trattato plasma ha mostrato una conducibilità termica molto bassa di ~0,3 Con (m×K). Il valore di ZT dei documenti di CNT è stato migliorato significativamente a 0,4 da 0,01 dopo il trattamento del plasma a 670K. Tale miglioramento dimostra possibilmente di usando i documenti di CNT trattati plasma per da costruzione le unità flessibili di TE.12

Figura 5. (a) immagini Ottiche del documento flexsible di CNT. (b) Potenziamento di ZT e coefficiente di Seebeck del documento di questi CNT dopo le durate differenti di trattamento del plasma dell'AR.

Verniciatura Substitutional con il Controllo Preferito di Orientamento

Un Altro approccio per migliorare il fattore di potenza è la combinazione di verniciatura substitutional con controllo preferito di orientamento facendo uso della tecnica del deposito del laser (PLD) pulsato. Per esempio, CaCoO349 è uno di migliori ossidi di TE dovuto il suo ZT ad alta temperatura di 0,83 a 1000K.13 Tuttavia, dovuto la forte anisotropia nella crescita dei cristalli e nel trasporto elettrico, i grandi monocristalli sono difficili da da costruzione.13 Usando PLD, le pellicole sottili che sono state cristallizzate bene con l'orientamento perfetto di c-asse potrebbero essere preparate e l'in-aereo che i beni elettrici sono risultati comparabili ai monocristalli.14 Ancora, la sostituzione della Bi ha potuto diminuire la resistività elettrica delle pellicole sottili mentre migliorava il coefficiente di Seebeck. Il fattore di potenza alle delle pellicole sottili349 basate CaCoO Bi-Verniciate è stato trovato per migliorare ~21% ed ha raggiunto il mWmK 1,016-1-2 a 950 K.15

Figura 6. (a) immagine di TEM della pellicola sottile349 Bi-Verniciata di CaCoO. (b) Potenziamento del coefficiente e del fattore di potenza di Seebeck dalla sostituzione della Bi.

Riassunto

Riassumendo, nanostructuring può applicarsi mediante varie tecniche avanzate e può fornire il gran opportunità migliorare la prestazione di TE sia dei materiali convenzionali che nuovi. L'Ulteriori ottimizzazione ed operazione di disgaggio estenderanno l'applicazione delle unità di TE nell'immediato futuro in moda da poterle usare essi per migliorare il rendimento energetico e per fare diminuire le emissioni2 di CO.


Riferimenti

  1. Ryoji Funahashi e Saori Urata, “Montaggio ed Applicazione di un Sistema Termoelettrico dell'Ossido,„ Int. J. App. Ceram. Technol. 4(4), 297-307 (2007).
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  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts et al., “unità termoelettriche Di Sottili Pellicole con le cifre di temperatura ambiente di merito elevate,„ Natura 413(6856), 597-602 (2001).
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  7. S.F. Fan, J.N. Zhao, Q.Y. Yan et al., “Influenza di Nanoinclusions sui Beni Termoelettrici del Morso N Tipo23 Nanocomposites,„ J. Electronic Mater. 40(5), 1018-1023 (2011).
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  15. T. Il Sun, H.H. Hng, Q.Y. Yan et al., “beni termoelettrici ad alta temperatura Migliorati dell'c-asse Bi-Verniciato ha orientato le pellicole349 sottili di CaCoO tramite il deposito del laser pulsato,„ J. Appl. Phys. 108(8), 083709 (2010).

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

Last Update: 14. June 2013 09:25

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