通过热电材料的纳米结构调整,实现热电效率的大幅度提高

热电材料可以将热能转化为电能,这对可持续能源生产极具吸引力,特别是工业领域,因为很多工业领域有可能会有三分之二以上的能源以热能的形式被浪费掉。但热电能源的大规模生产目前受到低能量转换效率的限制。现在,代尔夫特理工大学材料科学与工程系的研究人员Biswanath Dutta和Poulumi Dey不仅解释了热电材料中的纳米结构如何提高能源效率,还提出了一种具有商业吸引力的纳米结构热电材料制造方法,增加了热电能源大规模生产的机会。研究成果发表在《Nano Energy》上。

Dutta和Dey工作的出发点是他们在韩国的合作研究人员提供的实验结果,他们正在研究一种热门的热电材料,即所谓的NbCoSn半休斯勒化合物。"这是一种特殊类型的晶体结构,"Dutta解释说。"通过调节每个元素的数量和位置,例如把更多的铌放在钴的位置上,就可以看到它是如何影响材料的整体效率。"

韩国合作者的研究结果表明,在特定的温度下,这种材料内形成了某些种类的纳米结构。于是Dutta和Dey根据这些观察结果进行了理论模拟。"首先,我们模拟了在不同的位置增加一个或两个额外的钴原子的效果,以找出是否会增加效率,"Dey说。"结果发现,这个钴的位置确实对这种材料的整个性能有重要作用,这是做实验的团队无法真正解释的,因为这超出了他们测量的分辨率。"

此外,Dutta和Dey还能够证明一种被称为能量过滤的效应。"你可以把它看成是一种屏障,阻挡低于一定能量的电子,从而提高整体的导电性,"Dutta解释道。"通过过滤掉低能电子,让高能电子通过,整体效率就会提高。"

"这是一种纳米结构效应,"Dey说。"是材料的其他部分形成的纳米结构,以及它们之间的界面,起到了屏障的作用,所以如果没有这些纳米结构,你就不会有这种效果,因为没有界面。但只要这些纳米结构形成了,你就会得到这些界面,这些界面阻挡了低能电子,但允许高能电子通过,其结果是提高了整体的能源效率。"

最终,代尔夫特理工大学的模拟结果表明,这种量身定制的NbCoSn热电材料的能量效率提高有两个原因:在晶格结构中被称为间隙位点的特定位置上存在额外的钴原子,还有能量过滤效应。

此外,对这种纳米结构热电材料节能性的理解,表明了一种更好、更适用的热电生产方式。"目前,纳米结构热电材料是通过漫长而严格的粉碎和加热预成型结构的过程制成的,"Dutta解释说,"这既耗时又耗能,所以并不适合大规模生产。与其走传统路线,团队建议从 "非结构 "或无定形材料开始。从无定形材料开始的优势在于它没有底层结构,所以不需要经过漫长的研磨和加热过程来实现均质化。所以它的能源效率更高,因此对于热电的量产也更有用。" 对于那些从事高温热能回收的行业的工程师来说,这是个好消息。


产品推荐
在线留言:
公司电话:
010-62237812
微信公众号: