Colhendo a Energia Waste - Materiais Termoelétricos de Nanostructured

Pelo Professor Huey Hoon Hng

Professor Adjunto Huey Hoon HNG, Cadeira do Associado (Académico), Escola da Ciência de Materiais & Engenharia, Universidade Tecnologico de Nanyang, Singapura. Autor Correspondente: ashhhng@ntu.edu.sg

Devido ao interesse global crescente da procura e do crescimento de energia sobre o impacto ambiental de emissões2 do CO, há uma necessidade de procurar soluções transitar por dos combustíveis fósseis à energia sustentável.

Sabe-se que de toda a energia preliminar nós aproveitamos e uso, simplesmente 30% é traduzido no trabalho útil. Um 70% de desconcertamento é desperdiçado como calor dissipado durante a conversão, o transporte e o armazenamento de energia. Esta perda enorme é própria uma fonte de energia reciclável. Se o escapamento do calor waste pode ser minimizado tendo o calor aproveitado, armazenado e reúso, os recursos de energia disponível adicionais poderiam ser enormes.1

Materiais Termoelétricos

Os materiais (TE) Termoelétricos mantêm a grande promessa para converter a energia calorífica waste na electricidade. Os sistemas de TE têm muitas vantagens originais, por exemplo silencioso, seguro e evolutivo. Contudo, o uso actual de dispositivos de TE é limitado por suas baixas eficiências. 2

Para conseguir o objetivo da conversão de energia assim como da rentabilidade de grande eficacia, os materiais tradicionais actuais de TE não são satisfatórios. Os materiais da Nova geração TE têm que ser desenvolvidos para trazer impactos aproximadamente previsíveis.

Eficiência de Conversão da Energia de Materiais Termoelétricos

A eficiência de conversão da energia de um material de TE pode ser avaliada por um figura--mérito dimensionless

ZT = ST/2(rk),

onde S, T, r e k são o coeficiente de Seebeck (igualmente chamado thermopower), temperatura absoluta, resistividade elétrica e condutibilidade térmica, respectivamente.3 Os materiais Excelentes de TE devem exibir um factor de grande potência (S/r)2 para propriedades elétricas assim como a baixa condutibilidade térmica.

Embora estes parâmetros fossem interdependentes nos materiais de maioria, fazendo o difícil aperfeiçoar os valores de ZT, diversas técnicas de processamento foram aplicadas para fabricar nano-materiais ou os materiais nano-compostos, onde os parâmetros na baixo-dimensão podem ser variados independente enquanto theoretically.and previsto demonstrou experimental. 4

Neste artigo, diversas aproximações nanostructuring para o realce de TE em materiais diferentes serão introduzidas.

Materiais Termoelétricos do Telluride do Bismuto

Os materiais baseados (BiTe)23 telluride do Bismuto TE são os materiais os mais estabelecidos para aplicações próximas da temperatura ambiente, com o ZT de Realces do ~ 1. em ZT foram conseguidos na baixa estrutura do superlattice da dimensão assim como em materiais nanostructured volume.3,5 A presença de nanostructures com os tamanhos menores do que um meio do fonão o trajecto livre pode extremamente aumentar o fonão que dispersa dispersando fonão do comprimento de onda meados de e longo, tendo por resultado diminuição marcada na condutibilidade térmica. Contudo, devido ao alto densidade de limites de grão, elétrons são dispersados igualmente eficientemente, conduzindo a uma diminuição simultânea na condutibilidade elétrica.

Daqui, uma solução prática será a preparação dos nanocomposites com adição controlada de um nanophase na fase da matriz. Nós consideramos a aproximação de adicionar um nanophase com a mesma composição que a fase da matriz. 6,7 Neste processo, o nanophase foi preparado através de uma produção alta e de um processo econômico do giro de derretimento. Este processo foi executado para o p-tipo BiSbTe0.41.63 e o n-tipo sistemas23 da Mordida. Para o n-tipo Mordida23, um máximo ZT de 1,18 em 42°C foi obtido para o nanocomposite de 10wt% quando um máximo ZT de 1,80 foi alcançado em 43°C para o p-tipo nanoinclusions0.41.63 consistindo do nanocomposite 40wt% de BiSbTe. A melhoria significativa em ZT foi atribuída capacidade aos compostos' para reter um factor de poder superior ao ao mesmo tempo dràstica reduzir a condutibilidade térmica.

A Figura 1. (a) HRTEM Típico e (b) as imagens de SEM da Mordida girada derretimento23 basearam materiais compostos e seu ZT aumentado com condutibilidade térmica diminuída (c) do p e (d) do n-tipo.

Comparado com a diminuição da condutibilidade térmica, que parece ser o benefício preliminar de nanostructuring para materiais de TE na maioria de revelações recentes, a aproximação do realce do factor de potência é mais provável mas foi relatada ainda raramente.8 Nós demonstramos que diminuindo o tamanho de grão ao comprimento de onda de Broglie e a síntese de uma pilha de unidade complexa seja eficaz para conseguir o factor de poder superior.

20 nanoparticles do nanômetro23 SbTe sintetizados directamente pelo método do CVD mostraram um coeficiente mais alto de Seebeck comparado aos nanoparticles maiores do tamanho (50nm e 100nm).9 Embora a condutibilidade diminuísse um pouco, a partícula menor do tamanho ainda demonstrou um factor de potência mais alta.

Similarmente, os nanoparticles multi-postos em fase PbTe-PtTe2 uniformemente misturados mostraram um realce no factor de potência por mais de dois ordens de grandeza em relação a PbTe puro com do ajustamento da concentração de portador da carga ajustando o PbTe: Relação2 de PtTe.10

Figura 2. (a) imagem de SEM do filme23 fino do nanoparticle de SbTe e (b) suas propriedades elétricas.

Figura 3. (a) imagem de TEM de nanoparticles2 postos em fase binários de PbTe-PtTe com relação X =PbTe 0,5 da fase. (b) Realce do factor de potência em amostras2 postas em fase binárias do nanoparticle de PbTe-PtTe com vários valoresPbTe de X.

Graphene e Carbono Nanotubes como Materiais Termoelétricos

Independentemente dos materiais tradicionais de TE, os nanotubes do graphene de poucas (FLG) camadas e do carbono (CNTs) como materiais novos de TE foram investigados igualmente.11,12 CNTs e FLG foram alterados pelo tratamento do plasma e exibem propriedades aumentadas de TE. O processo de tratamento do plasma induziu defeitos no FLG e no CNTs e causou as seguintes mudanças:

  • abertura da diferença de faixa
  • alteração da concentração de portador e
  • realce da dispersão do fonão

Estas alterações conduzem ao realce em propriedades de TE do FLG e do CNTs. Os filmes de FLG foram alterados pelo plasma e pelo CNTs do oxigênio pelo plasma do argônio.

O coeficiente de Seebeck de FLG foi aumentado significativamente a ~700 μV/K em relação ao ~ 80 μV/K para os filmes pristine de FLG em 575K.11 Entrementes, a diminuição da condutibilidade elétrica ligeira mas ainda permaneceu em um elevado valor de ~104 S/m. Conseqüentemente, o factor de potência máximo conseguido era ~4.5×10-3 WKm-2-1, que era 15 vezes mais altamente do que aquele de filmes pristine de FLG.

Figura 4. (a) imagens de HRTEM de filmes de FLG após o tratamento do plasma do oxigênio. Inserir mostra o teste padrão correspondente de SAED, que confirma o estado amorfo para amostras após o tratamento do plasma do oxigênio. Os círculos amarelos destacam cristais pequenos do caron em tais filmes quando os círculos vermelhos indicarem o regime desorganizado de átomos de carbono. (b) Factor de Potência para os filmes de FLG após tratamentos diferentes do plasma do oxigênio.

Para o CNTs, as amostras foram preparadas como papéis flexíveis. O coeficiente de Seebeck foi aumentado a ~350 μV/K em 670K, um aumento de 7 dobras em relação ao material pristine na mesma temperatura. Similar a FLG, a condutibilidade elétrica do CNTs tratado plasma igualmente diminuiu mas permaneceu em um valor aceitável. A condutibilidade térmica de papéis de CNT era muito baixo devido à formação de redes aleatórias. Em particular, a amostra tratada plasma mostrou uma condutibilidade térmica muito baixa de ~0,3 Com (m×K). O valor de ZT de papéis de CNT foi aumentado significativamente a 0,4 de 0,01 após o tratamento do plasma em 670K. Tal melhoria demonstra possivelmente de usar papéis tratados plasma de CNT para fabricar dispositivos flexíveis de TE.12

Figura 5. (a) imagens Ópticas do papel flexsible de CNT. (b) Realce de ZT e coeficiente de Seebeck do papel destes CNT após durações diferentes do tratamento do plasma da AR.

Lubrificação Substitutional com Controle Preferido da Orientação

Uma Outra aproximação para aumentar o factor de potência é a combinação de lubrificação substitutional com o controle preferido da orientação usando a técnica do depósito do laser (PLD) pulsado. Por exemplo, CaCoO349 é um dos melhores óxidos de TE devido a seu ZT de alta temperatura de 0,83 em 1000K.13 Contudo, devido à anisotropia forte no crescimento de cristal e no transporte elétrico, os únicos cristais do grande tamanho são difíceis de fabricar.13 Usando PLD, os filmes finos que foram cristalizados bem com orientação perfeita da c-linha central poderiam ser preparados, e o em-plano que as propriedades elétricas foram encontradas para ser comparáveis aos únicos cristais.14 Além Disso, a substituição do Bi podia reduzir a resistividade elétrica dos filmes finos ao aumentar o coeficiente de Seebeck. O factor de potência de filmes finos349 CaCoO-baseados Bi-Lubrificados foi encontrado para melhorar ~21% e alcançou o mWmK 1,016-1-2 em 950 K.15

Figura 6. (a) imagem de TEM do filme fino349 Bi-Lubrificado de CaCoO. (b) Realce do factor do coeficiente e de potência de Seebeck pela substituição do Bi.

Sumário

Em resumo, nanostructuring pode ser aplicado por várias técnicas avançadas e pode fornecer a grande oportunidade de melhorar o desempenho de TE de materiais convencionais e novos. Uma optimização e uma escamação Mais Adicionais alargarão a aplicação de dispositivos de TE em um futuro próximo de modo que possa ser usada para melhorar o uso eficaz da energia e diminuir emissões2 do CO.


Referências

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

Last Update: 14. June 2013 09:44

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