Related Offers

Het Oogsten de Energie van het Afval - Thermo-elektrische Materialen Nanostructured

Door Professor Huey Hoon Hng

Verwante Professor Huey Hoon HNG, Verwante (Academische) Stoel, School van de Wetenschap van Materialen & Techniek, Nanyang Technologische Universiteit, Singapore. Overeenkomstige auteur: ashhhng@ntu.edu.sg

wegens de steeds grotere energiebehoefte en de groeiende globale zorg over het milieueffect van de emissies2 van CO, is er een behoefte om naar oplossingen te streven om van fossiele brandstoffen aan duurzame energie te doortrekken.

Het is geweten dat van al primaire energie die wij en hebben uitgerust gebruikt, slechts 30% is vertaald in het nuttige werk. Een wankelende 70% wordt verspild als verdreven hitte tijdens energieomzetting, vervoer en opslag. Dit reusachtige verlies is zelf een bron van rekupereerbare energie. Als de lekkage van de afvalhitte door het hebben van de uitgerust, opgeslagen en opnieuw gebruikte hitte kan worden geminimaliseerd, zouden de extra beschikbare energiebronnen reusachtig kunnen zijn.1

Thermo-elektrische Materialen

De Thermo-elektrische (TE) materialen houden grote belofte voor het omzetten van afvalthermische energie in elektriciteit in. TE de systemen hebben vele unieke voordelen, b.v. stil, betrouwbaar en scalable. Nochtans, wordt het huidige gebruik van apparaten TE beperkt door hun lage efficiency. 2

Om het doel van high-efficiency energieomzetting evenals kostendoeltreffendheid te bereiken, zijn de huidige traditionele materialen TE niet bevredigend. De Nieuwe generatieTE materialen moeten worden ontwikkeld om te voorziene effecten te bewerkstelligen.

De Efficiency van de Omzetting van de Energie van Thermo-elektrische Materialen

De efficiency van de energieomzetting van een materiaal TE kan door een cijfer-van-verdienste zonder dimensie worden geëvalueerd

ZT = ST/2(rk),

waar S, T, r en k de ook geroepen coëfficiënt Seebeck (thermopower), absolute temperatuur, elektroweerstandsvermogen en warmtegeleidingsvermogen zijn, respectievelijk.3 De Uitstekende materialen TE zouden een grote machtsfactor (S/r) voor2 elektrische eigenschappen evenals laag warmtegeleidingsvermogen moeten tentoonstellen.

Hoewel deze parameters in bulkmaterialen onderling afhankelijk zijn, makend het moeilijk om de waarden te optimaliseren ZT, zijn verscheidene verwerkingstechnieken toegepast om nano-materialen of nano-samenstellingsmaterialen te vervaardigen, waar de parameters in laag-afmeting onafhankelijk als voorspelde experimenteel aangetoonde theoretically.and kunnen worden gevarieerd. 4

In dit artikel, zullen verscheidene nanostructuring benaderingen voor verhoging TE in verschillende materialen worden geïntroduceerd.

De Thermo-elektrische Materialen van het Telluride van het Bismut

Zijn de gebaseerde (BiTe)23 materialen TE van het Bismut telluride de meest gevestigde materialen voor dichtbijgelegen kamertemperatuurtoepassingen, met ZT van ~ 1. De Verhogingen in ZT zijn bereikt in lage afmetingssuperlattice structuur evenals in massa nanostructured materialen.3,5 De aanwezigheid van nanostructures met grootte kleiner dan een fonon betekent de vrije weg fonon het verspreiden kan zeer verbeteren zich door medio en lange golflengtefononen te verspreiden, resulterend in duidelijke daling van warmtegeleidingsvermogen. Nochtans, wegens de hoogte - de dichtheid van korrelgrenzen, elektronen is efficiënt ook verspreid, leidend tot een gezamenlijke daling van elektrogeleidingsvermogen.

Vandaar, zijn een praktische oplossing de voorbereiding van nanocomposites met gecontroleerde toevoeging van een nanophase in de matrijsfase. Wij hebben de benadering van het toevoegen van een nanophase met de zelfde samenstelling zoals de matrijsfase overwogen. 6,7 In dit proces, werd nanophase voorbereid via een hoge productie en een economisch smelting het spinnen proces. Dit proces werd uitgevoerd voor zowel p-type BiSbTe0.41.63 als n-type de systemen23 van de Beet. Voor n-type Beet23, werd een maximumZT van 1.18 bij 42°C verkregen voor 10wt% nanocomposite terwijl een maximumZT van 1.80 bij 43°C voor p-type het bestaan 40wt%0.41.63 van BiSbTe nanocomposite nanoinclusions werd bereikt. De significante verbetering in ZT werd toegeschreven aan de samenstellingen' capaciteit om een hoge machtsfactor te behouden terwijl drastisch tezelfdertijd het verminderen van warmtegeleidingsvermogen.

Figuur 1. (a) Typische HRTEM en (b) de beelden van SEM van smelting gesponnen Beet23 baseerden samengestelde materialen en hun verbeterde ZT met verminderd warmtegeleidingsvermogen van (c) p en (d) n-type.

Vergeleken met de daling van warmtegeleidingsvermogen, dat het primaire voordeel schijnt te zijn om voor materialen TE in de meeste recente ontwikkelingen nanostructuring, is de benadering van de verhoging van de machtsfactor waarschijnlijker maar nog zelden gemeld.8 Wij hebben aangetoond dat door de korrelgrootte aan de golflengte van DE Broglie en de synthese van complexe eenheid te verminderen een cel efficiënt is om hoge machtsfactor te bereiken.

20 die NM SbTe23 nanoparticles direct door de methode van CVD wordt samengesteld toonden een hogere coëfficiënt Seebeck in vergelijking met de grotere grootte nanoparticles (50nm en 100nm).9 Hoewel het geleidingsvermogen een weinig verminderde, toonde het kleinere groottedeeltje nog een hogere machtsfactor aan.

Toonde Op Dezelfde Manier uniform gemengde2 multi-gefaseerde pbTe-PtTe nanoparticles een verhoging in de machtsfactor door meer dan twee grootteordes in vergelijking tot zuivere PbTe door het stemmen van de lastencarrier concentratie door PbTe aan te passen: De verhouding2 van PtTe.10

Figuur 2. (a) het beeld van SEM van de nanoparticle23 dunne film SbTe en (b) zijn elektrische eigenschappen.

Figuur 3. (a) die het beeld van TEM van binair getal2 pbTe-PtTe nanoparticles met faseverhouding X wordt gefaseerdPbTe = 0.5. (b) Verhoging van machtsfactor in binaire2 gefaseerde nanoparticle steekproeven pbTe-PtTe met diverse waardenPbTe van X.

Graphene en Koolstof Nanotubes als Thermo-elektrische Materialen

Behalve traditionele materialen TE, zijn weinig lagen graphene (FLG) en koolstof nanotubes (CNTs) als nieuwe materialen TE ook onderzocht.11,12 Zowel werden CNTs als FLG gewijzigd door plasmabehandeling en tentoonstellen verbeterde eigenschappen TE. Het proces van plasmabehandeling veroorzaakte tekorten op FLG en CNTs en veroorzaakte de volgende veranderingen:

  • band hiaat het openen
  • wijziging van carrier concentratie en
  • verhoging van zich fonon het verspreiden

Deze wijzigingen leiden tot verhoging in eigenschappen TE van FLG en CNTs. De films FLG werden gewijzigd door zuurstofplasma en CNTs door argonplasma.

De coëfficiënt Seebeck van FLG werd beduidend verbeterd aan ~700 μV/K in vergelijking tot ~ 80 μV/K voor de oorspronkelijke films FLG bij 575K.11 Ondertussen, de elektrogeleidingsvermogendaling lichtjes maar nog gebleven bij hoogwaardig van ~104 S/m. Derhalve was de maximum bereikte machtsfactor ~4.5×10-3 WKm-2-1, die 15 keer hoger was dan dat van oorspronkelijke films FLG.

Figuur 4. (a) de beelden van HRTEM van films FLG na de behandeling van het zuurstofplasma. Het bijvoegsel toont het overeenkomstige patroon SAED, dat de amorfe status voor steekproeven na de behandeling van het zuurstofplasma bevestigt. De gele cirkels benadrukken kleine kristallen van caron in dergelijke films terwijl de rode cirkels op de wanordelijke regeling van koolstofatomen wijzen. (b) de factor van de Macht voor de films FLG na de verschillende behandelingen van het zuurstofplasma.

Voor CNTs, werden de steekproeven voorbereid als flexibele documenten. De coëfficiënt Seebeck werd verhoogd tot ~350 μV/K bij 670K, een 7 vouwenverhoging in vergelijking tot het oorspronkelijke materiaal bij zelfde temperatuur. Gelijkaardig aan FLG, bleef het elektrogeleidingsvermogen van plasma behandelde ook verminderde CNTs maar bij een aanvaardbare waarde. Het warmtegeleidingsvermogen van Cnt- documenten was zeer lage toe te schrijven aan de vorming van willekeurige netwerken. In het bijzonder, behandelde het plasma steekproef toonde een zeer laag warmtegeleidingsvermogen van ~0.3 W (m×K). De waarde ZT van Cnt- documenten werd beduidend verbeterd aan 0.4 van 0.01 na plasmabehandeling bij 670K. Dergelijke verbetering toont misschien van het gebruiken van plasma behandelde Cnt- documenten aan om flexibele apparaten te vervaardigen TE.12

Figuur 5. (a) Optische beelden van flexsible Cnt- document. (b) Verhoging van ZT en coëfficiënt Seebeck van dit Cnt- document na de verschillende duur van de het plasmabehandeling van AR.

Het Substitutional Smeren met de Aangewezen Controle van de Richtlijn

Een Andere benadering om machtsfactor te verbeteren is de combinatie van het substitutional smeren met aangewezen richtlijncontrole die de gepulseerde techniek van het laserdeposito (PLD) gebruiken. Bijvoorbeeld, is349 CaCoO één van de beste oxyden TE toe te schrijven aan zijn ZT op hoge temperatuur van 0.83 bij 1000K.13 Nochtans, wegens de sterke anisotropie in de kristalgroei en elektrovervoer, zijn de grote grootte enige kristallen moeilijk te vervaardigen.13 Door PLD te gebruiken, zouden de dunne films die goed met perfecte c-as richtlijn werden gekristalliseerd kunnen worden voorbereid, en de in-vlakke elektrische eigenschappen werden gevonden vergelijkbaar om met enige kristallen te zijn.14 Voorts kon de substitutie van Bi het elektroweerstandsvermogen van de dunne films verminderen terwijl het verbeteren van de coëfficiënt Seebeck. De machtsfactor van bi-Gesmeerde op caCoO-Gebaseerde349 dunne films werd gevonden om ~21% te verbeteren en bereikte mWmK 1.016-1-2 bij 950 K.15

Figuur 6. (a) het beeld van TEM van bi-Gesmeerde dunne349 film CaCoO. (b) Verhoging van coëfficiënt Seebeck en machtsfactor door de substitutie van Bi.

Samenvatting

Samengevat, kan het nanostructuring door diverse geavanceerde technieken worden toegepast en kan grote mogelijkheid bieden om de prestaties TE van zowel conventionele als nieuwe materialen te verbeteren. De Verdere optimalisering en het schrapen zullen de toepassing van apparaten TE in de nabije toekomst verbreden zodat zij kunnen worden gebruikt om energieefficiency te verbeteren en de emissies van CO2 te verminderen.


Verwijzingen

  1. Ryoji Funahashi en Saori Urata, „Vervaardiging en Toepassing van een Thermo-elektrisch Systeem van het Oxyde,“ Int. J. App. Ceram. Technol. 4(4), 297-307 (2007).
  2. F.J. DiSalvo, „Thermo-elektrische het koelen en machtsgeneratie,“ Wetenschap 285(5428), 703-706 (1999).
  3. R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts et al., „Thin-film thermo-elektrische apparaten met hoge ruimte-temperatuur cijfers van verdienste,“ Aard 413(6856), 597-602 (2001).
  4. L.D. Hicks en M.S. Dresselhaus, „Effect van de Structuren van de quantum-Put op het Thermo-elektrische Cijfer van Verdienste,“ Phys. Toer B 47(19), 12727-12731 (1993).
  5. B. nanostructured Poudel, Q. Hao, Y. Ma et al., „hoog-Thermo-elektrische prestaties van het telluride bulklegeringen van het bismutantimonium,“ Wetenschap 320(5876), 634-638 (2008).
  6. S.F. Fan, J.N. Zhao, J. Guo et al., „p-type BiSbTe0.41.63 nanocomposites met verbeterd cijfer van verdienste,“ Appl. Phys. Lett. 96(18) (2010).
  7. S.F. Fan, J.N. Zhao, Q.Y. Yan et al., „Invloed van Nanoinclusions op Thermo-elektrische Eigenschappen van n-type Beet23 Nanocomposites,“ J. Electronic Mater. 40(5), 1018-1023 (2011).
  8. C.J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar et al., „Nanostructured Thermoelectrics: De Grote Aanwinsten van de Efficiency van Kleine Eigenschappen“ Adv. Mater. 22(36), 3970-3980 (2010).
  9. J. Chen, T. Sun, D. Sim et al., „SbTe23 Nanoparticles met Verbeterde Coëfficiënt Seebeck en Laag Warmtegeleidingsvermogen,“ Chem. Mater. 22(10), 3086-3092 (2010).
  10. W.W. Zhou, J.X. Zhu, D. Li et al., „binair-Gefaseerde Nanoparticles voor Verbeterde Thermo-elektrische Eigenschappen,“ Adv. Mater. 21(31), 3196-3200 (2009).
  11. N. Xiao, X.C. Dong, L. Song et al., „Verbeterde Thermopower van Films Graphene met de Behandeling van het Plasma van de Zuurstof,“ ACS Nano 5(4), 2749-2755 (2011).
  12. Weiyun Zhao, Shufen Ventilator, Ni Xiao et al., „Flexibele koolstof nanotube documenten met betere thermo-elektrische eigenschappen,“ Energie Omgeeft Sc.i 5(1), 5364-5369 (2012).
  13. M. Shikano en R. Funahashi, „Elektrische en thermische eigenschappen van single-crystalline CoO (23van CaCoO0.7)2 met een structuur349 CaCoO,“ Appl. Phys. Lett. 82(12), 1851-1853 (2003).
  14. T. Zon, J. Ma, Q.Y. Yan et al., „Invloed van het gepulseerde tarief van het laserdeposito op de microstructuur en thermo-elektrische eigenschappen van dunne349 films CaCoO,“ J. Cryst. De Groei 311(16), 4123-4128 (2009).
  15. T. Zon, H.H. Hng, Q.Y. Yan et al., „Verbeterde thermo-elektrische eigenschappen op hoge temperatuur van bi-Gesmeerde c-as georiënteerde dunne349 films CaCoO door gepulseerd laserdeposito,“ J. Appl. Phys. 108(8), 083709 (2010).

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

Last Update: 14. June 2013 09:14

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