폐기 에너지 - Nanostructured 열전 물자 가을걷이

교수에 의하여 Huey Hoon Hng

Huey Hoon HNG 부교수, (학문) 동료 의자, 재료 과학의 학교 & 기술설계, Nanyang 과학 기술 대학, 싱가포르. 대응 저자: ashhhng@ntu.edu.sg

지휘관 방출의 환경에 주는 영향에 계속 증가하는 에너지 수요 그리고 성장하고 있는 글로벌 관심사2 때문에, 화석 연료에서 유지할 수 있는 에너지에 통과하기 위하여 해결책을 노력하는 필요가 있습니다.

30%만 유용한 일로 변환되다 모든 일차 에너지의 우리가와 사용 이용한다는 것을 알려집니다. 비틀거리는 70%는 에너지 전환, 수송 및 저장 도중 방탕한 열 낭비됩니다. 이 거대한 손실 자체는 재상할 수 있는 에너지의 근원입니다. 폐열 누설이 열을 이용되고, 저장되고 재사용해 달라고 해서 극소화될 수 있는 경우에, 추가 유효 에너지 자원은 거대할 수 있었습니다.1

열전 물자

전기 (TE)로 폐열 에너지 변환을 위한 중대한 약속이 열전 물자에 의하여 보전됩니다. TE 시스템에는 많은 유일한 이점이, 예를들면 침묵하고는, 믿을 수 있고는 오를 수 있는 있습니다. 그러나, TE 장치의 존재하는 사용은 그들의 저효율에 의해 제한됩니다. 2

높 효율성 에너지 전환 뿐 아니라 비용 유효성의 목표를 달성하기 위하여, 현재 전통적인 TE 물자는 만족하. 새로운 세대 TE 물자는 예측할 수 있는 충격을 초래하기 위하여 개발되어야 합니다.

열전 물자의 에너지 전환 효율성

TE 물자의 에너지 전환 효율성은 크기가 없는 숫자 의 공로에 의해 평가될 수 있습니다

ZT = ST/2(rk),

S, T, rk가 (또한 thermopower에게 불리는) Seebeck 계수, 절대 온도, 전기 저항력 및 열 전도도인 곳에, 각각.3 우수한 TE 물자는 대권한 요인을 전시해야 합니다 (S/r)2 전기 속성 뿐 아니라 낮은 열 전도도를 위해.

이 매개변수가 대량 물자에서 상호의존적이더라도, ZT 가치를 낙관하 것을 어려운 하는, 몇몇 가공 기술은 예상하는 theoretically.and가 실험적으로 설명하는 때 nano 물자 또는 낮 차원에 있는 매개변수가 자주적으로 변화될 수 있는 nano 합성 물자를 날조하기 위하여 적용되었습니다. 4

이 약품에서는, 다른 물자에 있는 TE 증진을 위한 몇몇 nanostructuring 접근은 소개될 것입니다.

창연 Telluride 열전 물자

창연 telluride에 (BiTe)23 기지를 둔 TE 물자는 가까운 실내 온도 응용을 위한 설치한 물자입니다 ZT에 있는 ~ 1. 증진의 ZT와 더불어 낮은 차원 superlattice 구조물에서 뿐 아니라 부피 nanostructured 물자에서 달성되었습니다.3,5 음자 평균 보다는 더 작은 규모를 가진 nanostructures의 존재는 자유로운 경로 매우 열 전도도에 있는 표시되어 있는 감소의 결과로 중앙과 긴 파장 음자를, 뿌려서 뿌리는 음자를 강화할 수 있습니다. 그러나, 결정 입자 경계, 전자의 고밀도 때문에 또한 능률적으로 뿌려지, 전기 전도도에 있는 동시 감소에 지도하.

그러므로, 실제적인 해결책은 매트릭스 단계로 nanophase의 통제되는 추가를 가진 nanocomposites의 준비일 것입니다. 우리는 매트릭스 단계와 동일 구성을 가진 nanophase 추가의 접근을 고려했습니다. 6,7 이 프로세스에서는, nanophase는 높은 처리량 및 경제적인 용해 회전시키 프로세스를 통해 준비되었습니다. 이 프로세스는 p 모형 BiSbTe와 n 모형 둘 다 바이트0.41.63 시스템을 위해23 실행되었습니다. n 모형 바이트를 위해23, 최대 ZT 1.80가 p 모형 BiSbTe nanocomposite 이루어져 있는 40wt% nanoinclusions를 위한 43°C에 달성되는 동안 최대 ZT 42°C에 1.18는 10wt%0.41.63 nanocomposite를 위해 장악되었습니다. ZT에 있는 중요한 개선은 합성물에 동시에 과감하게 열 전도도를 감소시키고 있는 동안' 고성능 요인을 유지하는 능력 기인했습니다.

숫자 1. (a) 전형적인 HRTEM 및 (b) 용해에 의하여 회전된 바이트의 SEM 심상은23 (c) p-와 (d) n 모형의 줄 열 전도도를 가진 복합 재료 그리고 그들의 강화한 ZT를 기지를 두었습니다.

대부분의 신 개발에 있는 TE 물자를 위해 nanostructuring의 1 차적인 이득인 것을 보이는 열 전도도의 감소와 비교해, 동력 인자 계속 증진의 접근은 더 확률이 높 없고 그러나 아직 드물게 보고됩니다.8 우리는 de Broglie 파장에 입자 크기 및 복잡한 단위 세포의 종합을 줄여서 고성능 요인 달성을 위해 효과적이십시오 설명했습니다.

직접 CVD 방법23 으로 종합된 20 nm SbTe nanoparticles는 더 큰 규모 nanoparticles와 비교된 Seebeck 더 높은 계수를 보여주었습니다 (50nm와 100nm).9 전도도가 약간을 줄였더라도, 소형 입자는 아직도 고성능 요인을 설명했습니다.

유사하게, 획일하게 혼합 PbTe-PtTe에 의하여2 다중 실행된 nanoparticles는 전하 운반자 농도 조정을 통해 순수한 PbTe에 비교하여 2개 크기 순서에 의하여 동력 인자에 있는 PbTe를 조정해서 증진을 보여주었습니다: PtTe2 비율.10

숫자 2. (a) SbTe nanoparticle 박막23 의 SEM 심상 및 (b) 그것의 전기 속성.

숫자 3. (a) 단계 비율 X =2 0.5에 PbTe-PtTe 이원 실행된 nanoparticles의PbTe TEM 심상. (b) PbTe-PtTe 각종 X 가치를 가진 이원2 실행된 nanoparticle 견본에 있는 동력 인자의PbTe 증진.

열전 물자로 Graphene와 탄소 Nanotubes

전통적인 TE 물자은 그렇다 하고, 비발한 TE 물자 (FLG)로 몇몇 층 (CNTs) graphene와 탄소 nanotubes는 또한 조사되었습니다.11,12 CNTs와 FLG는 둘 다 플라스마 처리에 의해 변경되고 강화된 TE 속성을 전시합니다. 플라스마 처리의 프로세스는 FLG 및 CNTs에 결점을 유도하고 뒤에 오는 변경을 일으키는 원인이 되었습니다:

  • 띠 간격 개통
  • 운반대 농도의 수정
  • 음자 뿌리기의 증진

이 수정은 FLG 및 CNTs의 TE 속성에 있는 증진으로 이끌어 냅니다. FLG 필름은 아르곤 플라스마에 의하여 산소 플라스마 그리고 CNTs에 의해 변경되었습니다.

FLG의 Seebeck 계수는 575K에 초기 FLG 필름을 위한 ~ 80 μV/K에 비교하여 ~700 μV/K에 현저하게 강화되었습니다.11 그 사이에, 경미하의 전기 전도도 감소는 ~10 S/m.의 높은 가치에 그러나 아직도4 남아 있었습니다. 따라서, 달성된 최대 동력 인자는 초기-3 FLG-2-1 필름의 그것 보다는 높이 15 시간 인 ~4.5×10 WKm이었습니다.

숫자 4. (a) 산소 플라스마 처리 후에 FLG 필름의 HRTEM 심상. 삽입물은 산소 플라스마 처리 후에 견본을 위한 무조직 상태를 확인하는 대응 SAED 패턴을 보여줍니다. 노란 원형은 빨간 원형이 탄소 원자의 난잡한 배열을 지적하는 동안 그 같은 필름에 있는 caron의 작은 결정을 강조합니다. (b) 다른 산소 플라스마 처리 후에 FLG 필름을 위한 동력 인자.

CNTs를 위해, 견본은 유연한 종이로 준비되었습니다. Seebeck 계수는 670K에 ~350 μV/K, 동일 온도에 초기 물자에 비교하여 7개의 겹 증가에 증가시켰습니다. FLG와 유사한, 플라스마에 의하여 취급된 CNTs의 전기 전도도는 또한 줄이고 그러나 수용 가능한 가치에 남아 있었습니다. CNT 종이의 열 전도도는 아주 낮게 무작위 통신망의 대형 때문이. 특히, 플라스마에 의하여 취급된 견본은 ~0.3의 아주 낮은 열 전도도를에 보여주었습니다 (m×K). CNT 종이의 ZT 가치는 670K에 플라스마 처리 후에 0.01에서 0.4에 현저하게 강화되었습니다. 그 같은 개선은 플라스마에 의하여 취급된 CNT 유연한 TE 장치를 날조하기 위하여 종이 이용의 가능하게 설명합니다.12

숫자 5. (a) flexsible CNT 종이의 광학적인 심상. (b) ZT의 증진과 다른 Ar 플라스마 처리 내구 후에 이 CNT 종이의 Seebeck 계수.

선호된 오리엔테이션 통제로 대체하는 진한 액체로 처리

동력 인자를 강화하는 또 다른 접근은 맥박이 뛴 레이저 공술서 기술을 사용하여 선호한 오리엔테이션 통제와의 대체하는 진한 액체로 처리의 조합 (PLD)입니다. 예를 들면, CaCoO는349 1000K에 0.83의 그것의 고열 ZT 때문에 최고 TE 산화물의 한개입니다.13 그러나, 결정 성장 및 전기 수송에 있는 강한 이방성 때문에, 큰 규모 단결정은 날조하기 어렵습니다.13 PLD를 사용해서, 완벽한 c 축선 오리엔테이션으로 잘 결정된 박막은, 전기 속성이 단결정에 대등하기 위하여 찾아낸 에서 비행기 준비되골.14 게다가, 비스무트 대용암호는 Seebeck 계수를 강화하고 있는 동안 박막의 전기 저항력을 감소시킬 수 있었습니다. 비스무트 진한 액체로 처리된 CaCoO 기지를 둔 박막의349 동력 인자는 ~21%를 향상하기 위하여 찾아내고 950 K.에-1-2 1.016 mWmK를 도달했습니다.15

숫자 6. (a) CaCoO 비스무트 진한 액체로 처리된 박막의349 TEM 심상. (b) 비스무트 대용암호에 의하여 Seebeck 계수와 동력 인자의 증진.

개요

요약하자면, nanostructuring는 각종 향상된 기술로 적용되골 전통적이고 새로운 물자의 TE 성과를 향상하는 중대한 기회를 제공할 수 있습니다. 에너지 효율을 향상하고 지휘관 방출을 줄이기 위하여 이용되 그래야 추가 최적화 및 스케일링은 TE 장치의 응용을 가까운 장래에2 확장할 것입니다.


참고

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

Last Update: 14. June 2013 09:31

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