Skörda Förlorad Energi - Nanostructured Thermoelectric Material

Vid Professorn Huey Hoon Hng

Den Förbundna Professorn Huey Hoon HNG, den Förbundna Stolen (Akademiker), Skolar av MaterialVetenskap & att Iscensätta, Nanyang den Teknologiska Universitetar, Singapore. Motsvarande författare: ashhhng@ntu.edu.sg

Tack vare den everincreasing energibegäran och det växande globala bekymmer över miljöpåverkan av CO-2 utsläpp, finns det lösningar för ett behovssökanden som genomreser från fossil, tankar till hållbar energi.

Den är bekant, att allra den primära energin som vi exploaterar och bruk, endast 30% översätts in i användbart arbete. Vackla 70% slös bort, som skingrat, värmer under energiomvandling, trans. och lagring. Denna enorma förlust är sig själv en källa av återanvändbar energi. Om det förloradt värmer, kan läckage minimeras genom att ha värma att exploateras, lagrat, och återanvänt, kunde de extra resurserna för tillgänglig energi vara enorma.1

Thermoelectric Material

Värmer (TE) det stora löftet för den Thermoelectric materialhållen för att konvertera som är förloradt, energi in i elektricitet. TE-system har många unika fördelar, e.g tyst, pålitligt och scalable. Emellertid begränsas det närvarande bruket av TE-apparater av deras låga effektivitet. 2

Att uppnå målet av deneffektivitet energiomvandlingen såväl som för att kosta effektivitet, är de traditionella TE materialen för strömmen inte tillfredsställande. Den Nya utvecklingen TE- sommaterial måste att framkallas för att komma med om förutsebart, får effekt.

EnergiOmvandlingsEffektivitet av Thermoelectric Material

Energiomvandlingseffektiviteten av en materiell TE kan utvärderas av en dimensionless figurera-av-merit

ZT = ST/2(rk),

var S, T, r och K är den samverka Seebecken (också kallat thermopower), evig sanningtemperaturen, elektrisk resistivity och termisk conductivity, respektive.3 Utmärkta TE-material bör ställa ut ett stort driver dela upp i faktorer (S/r2) för elektrisk rekvisita såväl som låg termisk conductivity.

Även Om dessa parametrar är beroende av varandra i bulk material, danande värderar den som är svår att optimera ZTEN, har flera bearbeta tekniker applicerats för att fabricera nano-material, eller nano-komposit material, var parametrarna låg-dimensionerar in, kan vara omväxlande självständigt, som förutsagd theoretically.and visade försöksvis. 4

I denna artikel att närma sig flera som nanostructuring, för TE-förbättring i ska olika material introduceras.

Thermoelectric Material för VismutTelluride

Baserade TE (BiTe)23 material för Vismut är telluride de mest etablerade materialen för near rumstemperaturapplikationer, med ZT av ~ 1. Förbättringar i ZT har uppnåtts i low dimensionerar superlattice strukturerar såväl som i i stora partier nanostructured material.3,5 Närvaroen av nanostructures med storleksanpassar mindre, än ett phononmedel den fria banan kan väldeliga förhöja phononspridning vid phonons för mitt- och lång våglängd för spridning och att resultera i markerad minskning i termisk conductivity. Emellertid tack vare kicken - täthet av korngränser, elektroner sprids också effektivt som leder till en samtidig minskning i elektrisk conductivity.

Hence är en ska praktisk lösning förberedelsen av nanocomposites med det kontrollerade tillägget av en nanophase in i matrisen arrangerar gradvis. Vi har ansett att närma sig av att tillfoga en nanophase med den samma sammansättningen som matrisen arrangerar gradvis. 6,7 I detta processaa var nanophasen förberedd via en processaa kickgenomgång och ekonomisk meltsnurr. Detta processaa genomfördes för både p-typ BiSbTe0.41.63 och n-typ Tugga23 system. För n-typ Tugga23 erhölls ett maximum ZT av 1,18 på 42°C för de 10wt% nanocompositestunderna som ett maximum ZT av 1,80 nåddes fram till på 43°C för de bestående 40wt%0.41.63 nanoinclusionsna för p-typ BiSbTe nanocomposite. Den viktiga förbättringen i ZT tillskrivades till komposit kapacitet att behålla en kick driver dela upp i faktorer förminskande termisk conductivity för stunder samtidigt drastiskt.

Figurera 1. (a) Typisk HRTEM och SEM 2000 (b) avbildar av melten roteraa Tuggan23 baserade sammansatt material och deras förhöjda ZT med minskad termisk conductivity av (c) p och n-typ (D).

Jämfört med minskningen av termisk conductivity, som verkar för att vara det primärt, gynna av nanostructuring för TE-material i mest nya utvecklingar, att närma sig av driver dela upp i faktorer förbättring är mer rimlig men ännu har sällan anmälts.8 Vi har visat det, genom att minska kornet, storleksanpassar till den de Broglie våglängden, och syntesen av en komplex enhetscell är effektiv för att uppnå kick driver dela upp i faktorer.

20 nanoparticles för nm23 SbTe direkt synthesized av CVD-metod visade att ett högre Seebeck samverka som jämförs till det större storleksanpassar nanoparticles (50nm och 100nm).9 Även Om conductivityen minskade lite, storleksanpassar de mindre partikelstillbild visade ett högre driver dela upp i faktorer.

På motsvarande sätt visade jämnt blandade2 PbTe-PtTe mång--arrangerade gradvis nanoparticles att en förbättring i driva dela upp i faktorer vid mer, än två beställer av storlek som jämfört till rena PbTe till och med att trimma laddningsbärarekoncentrationen genom att justera PbTen: PtTe2 förhållande.10

Figurera 2. (a) SEM 2000 avbildar av den SbTe23 nanoparticlen filmar thin och (b) dess elektriska rekvisita.

Figurera 3. (a) TEM avbildar av PbTe-PtTe som2 binära gradvisa nanoparticles med arrangerar gradvis förhållande XPbTe = 0,5. (b) Förbättringen av driver dela upp i faktorer i PbTe-PtTe som2 den binära gradvisa nanoparticlen tar prov med olikt XPbTe värderar.

Graphene och Kol Nanotubes som Thermoelectric Material

Frånsett har traditionella TE-material, få lagrargraphene (FLG) och kolnanotubes (CNTs) som nya TE-material också utforskats.11,12 Både CNTs och FLG ändrades av plasmabehandling och ställer ut förhöjd TE-rekvisita. Det processaa av framkallad plasmabehandling hoppar av på FLGEN och CNTsen och orsakade efter ändringarna:

  • musikbandmellanrumsöppning
  • ändring av bärarekoncentration och
  • förbättring av phononspridningen

Dessa bly- ändringar till förbättringen i TE-rekvisita av FLGEN och CNTsen. FLGEN filmar ändrades av syreplasma och CNTs vid argonplasma.

Seebecken som var samverka av FLG, förhöjdes markant till ~700 μV/K, som jämfört till ~ 80 μV/K för den pristine FLGEN filmar på 575K.11 Under Tiden värderar minskningen för elektrisk conductivity litet men stilla återstående på en kick av ~104 S/m. Därför driver de max dela upp i faktorer uppnått var ~4.5×10-3 WKm-2-1, som var 15 tider higher, än det av pristine FLG filmar.

Figurera 4. (a) HRTEM avbildar av FLG filmar efter syreplasmabehandling. Inlägg visar att de motsvarande SAEDNA mönstrar, som bekräftar den amorphous statusen för tar prov efter syreplasmabehandling. Gulingen cirklar viktig som sådan lilla kristaller av caron filmar in stunder, det rött cirklar pekar ut den oordnade ordningen av kolatoms. (b) Power dela upp i faktorer för FLGEN filmar efter olika syreplasmabehandlingar.

För CNTsen tar prov var förberett som böjlig legitimationshandlingar. Den samverka Seebecken ökades till ~350 μV/K på 670K, en förhöjning för 7 veck som jämfört till det pristine materiellt på samma temperatur. Liknande till FLG, minskade återstod den elektriska conductivityen av den plasma behandlade CNTsen också men på ett godtagbart värderar. Den termiska conductivityen av CNT-legitimationshandlingar var mycket låg bildandet av slumpmässigt knyter kontakt tack vare. I synnerhet tar prov det behandlade plasmaet visade en mycket låg termisk conductivity av ~0,3 Med (m×K). ZTNA värderar av CNT-legitimationshandlingar förhöjdes markant till 0,4 från 0,01 efter plasmabehandling på 670K. Sådan förbättring visar eventuellt av att använda plasma behandlad CNT-legitimationshandlingar för att fabricera böjliga TE-apparater.12

Figurera 5. (a) Optiskt avbildar av pappers- flexsible CNT. (b) Förbättringen av ZT och Seebeck som är samverka av dessa CNT, skyler över brister efter olika varaktigheter för Ar-plasmabehandling.

Substitutional Dopa med Föredragen Riktning Kontrollerar

Another att närma sig för att förhöja driver dela upp i faktorer är kombinationen av substitutional dopa med föredragen riktning kontrollerar genom att använda pulserad laser-avlagring (PLD)teknik. Till exempel är349 CaCoO en av de bäst TE-oxiderna tack vare dess mycket varma ZT av 0,83 på 1000K.13 Emellertid tack vare storleksanpassar den starka anisotropyen i crystal tillväxt och elektrisk transport som är stora singelkristaller är svår att fabricera.13 Genom att använda PLD som är tunn, filmar som kristalliserades väl med görar perfekt c-axel riktning kunde vara förberett, och denplana elektriska rekvisitan fanns för att vara jämförbar till singelkristaller.14 Dessutom kunde Biersättning förminska den elektriska resistivityen av det tunt filmar stunder som förhöjer den samverka Seebecken. Driva dela upp i faktorer av Bi-Dopat CaCoO-baserat349 thin filmar fanns för att förbättra ~21% och nedde mWmK 1,016-1-2 på 950 K.15

Figurera 6. (a) TEM avbildar av Bi-Dopade CaCoO349 filmar thin. (b) Den samverka Förbättringen av Seebeck och driver dela upp i faktorer vid Biersättning.

Summariskt

I summariskt kan kan nanostructuring appliceras av olika avancerade tekniker och ge stort tillfälle att förbättra TE-kapaciteten av både konventionella och nya material. mer Ytterligare ska optimization och gradering breddar applikationen av TE-apparater i den near framtiden, så att de kan vara van vid förbättrar utsläpp för CO för energieffektivitet och2 minskning.


Hänvisar till

  1. Ryoji Funahashi och Saori Urata, ”Fabricering och Applikation av ett Thermoelectric System för Oxid,” Int. J. App. Ceram. Technol. 4(4) 297-307 (2007).
  2. F. driver J. DiSalvo, ”Thermoelectric kyla och utvecklingen,” Vetenskap 285(5428), 703-706 (1999).
  3. R. Tunn-Filmar Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Colpitts o.a., ”thermoelectric apparater med kickrumstemperatur figurerar av merit,” Natur 413(6856), 597-602 (2001).
  4. L. Verkställer D. Hicks och M.S. Dresselhaus, ”av Quantum-Brunnen Strukturerar på det Thermoelectric Figurerar av Merit,” Phys. Rev. B 47(19), 12727-12731 (1993).
  5. B. legerar Poudel, Q. Hao, Y. Mor o.a., ”denThermoelectric kapaciteten av nanostructured i stora partier för vismutantimonytelluride,” Vetenskap 320(5876), 634-638 (2008).
  6. S. figurerar F. Fläkta, J.N. Zhao, J. Guo o.a., ”p-typ0.41.63 BiSbTe nanocomposites med förhöjt av merit,” Appl. Phys. Lett. 96(18) (2010).
  7. S.F. Fläkta, J.N. Zhao, Q.Y. Yan o.a., ”Påverkan av Nanoinclusions på Thermoelectric Rekvisita av denTyp Tuggan23 Nanocomposites,” J. Elektronisk Mater. 40(5) 1018-1023 (2011).
  8. C.J. Vineis, A. Shakouri, A. Majumdar o.a., ”Nanostructured Thermoelectrics: Stora Effektivitetsvinster Adv från för Lilla Särdrag”. Mater. 22(36) 3970-3980 (2010).
  9. J. Chen, T. Sun, D. Sim o.a., ”SbTe23 Nanoparticles med Förhöjd Seebeck Samverka och Låg Termisk Conductivity,” Chem. Mater. 22(10) 3086-3092 (2010).
  10. W.W. Zhou, J.X. Zhu, D. Li o.a., ”Binär-Arrangerade gradvis Nanoparticles för Förhöjd Thermoelectric Rekvisita,” Adv. Mater. 21(31) 3196-3200 (2009).
  11. N. Filmar Xiao, X.C. Dong, L. Song o.a., ”Förhöjda Thermopower av Graphene med SyrePlasmaBehandling,” ACS Nano 5(4), 2749-2755 (2011).
  12. Weiyun Zhao, Shufen Fläktar, Ni Xiao o.a., ”Böjlig kolnanotubelegitimationshandlingar med förbättrad thermoelectric rekvisita,” Energi Environ Sci 5(1), 5364-5369 (2012).
  13. M. strukturerar Shikano och R. Funahashi, ”Elektrisk och termisk rekvisita av dencrystalline (23CaCoO0.7)2 Kuttrandet med349 en CaCoO,” Appl. Phys. Lett. 82(12) 1851-1853 (2003).
  14. T. Sun, J. Mor, Q.Y. Yan o.a., ”Påverkan av pulserad laser-avlagring klassar på microstructuren, och den tunna thermoelectric rekvisitan av349 CaCoO filmar,” J. Cryst. Tillväxt 311(16), 4123-4128 (2009).
  15. T. Sun, H.H. Hng, Q.Y. Yan o.a., ”Förhöjd mycket varm thermoelectric rekvisita av Bi-Dopade c-axeln orienterade CaCoO349 filmar thin vid pulserad laser-avlagring,” J. Appl. Phys. 108(8) 083709 (2010).

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

Last Update: 14. June 2013 09:55

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