Novi materijal nudi ekološki prihvatljivo rješenje za pretvaranje otpadne topline u energiju. Pročišćeni kositar selenid ima izvanredno visoku termoelektričnu izvedbu. Perseverance, NASA-in marsovski rover 2020, pokreće nešto vrlo poželjno na Zemlji: termoelektrični uređaj koji pretvara toplinu u korisnu električnu energiju. Na Marsu je izvor topline radioaktivni raspad plutonija, a učinkovitost pretvorbe uređaja je 4-5%. To je dovoljno dobro za pokretanje Perseverancea i njegovih operacija, ali nije dovoljno dobro za primjene na Zemlji.
Tim znanstvenika sa Sveučilišta Northwestern i Nacionalnog sveučilišta Seoul u Koreji sada je pokazao termoelektrični materijal visokih performansi u praktičnom obliku koji se može koristiti u razvoju uređaja. Materijal pročišćeni kositar selenid u polikristalnom obliku nadmašuje monokristalni oblik u pretvaranju topline u električnu energiju, što ga čini najučinkovitijim termoelektričnim sustavom dosad. Istraživači su uspjeli postići visoku stopu konverzije nakon što su identificirali i uklonili problem oksidacije koji je smanjio učinkovitost u ranijim studijama. Polikristalni kositar selenid mogao bi se razviti za upotrebu u čvrstim termoelektričnim uređajima u raznim industrijama, uz potencijalno goleme uštede energije. Ključni cilj primjene je hvatanje industrijske otpadne topline - kao što je iz elektrana, automobilske industrije i tvornica za proizvodnju stakla i cigle - i njezino pretvaranje u električnu energiju. Više od 65% energije proizvedene globalno iz fosilnih goriva gubi se kao otpadna toplina.
“Termoelektrični uređaji su u upotrebi, ali samo u posebnim aplikacijama, kao što je Marsov rover,” rekao je Mercouri Kanatzidis iz Northwesterna , kemičar specijaliziran za dizajn novih materijala. “Ovi uređaji nisu zaživjeli poput solarnih ćelija i postoje značajni izazovi u izradi dobrih. Usredotočeni smo na razvoj materijala koji bi bio niske cijene i visokih performansi te bi termoelektrične uređaje potaknuo u širu primjenu.” Kanatzidis, Charles E. i Emma H. Morrison, profesor kemije na Weinberg College of Arts and Sciences , suautor je studije. Ima zajednički sastanak s nacionalnim laboratorijem Argonne.
Detalji o termoelektričnom materijalu i njegovim rekordno visokim performansama objavljeni su 2. kolovoza u časopisu Nature Materials. In Chung sa Nacionalnog sveučilišta u Seoulu drugi je autor koji se dopisuje. Vinayak Dravid , Abraham Harris, profesor znanosti o materijalima i inženjerstva na Northwestern McCormick School of Engineering, jedan je od starijih autora studije. Dravid je dugogodišnji Kanatzidisov suradnik.
Termoelektrični uređaji već su dobro definirani, kaže Kanatzidis, ali ono zbog čega rade dobro ili ne je termoelektrični materijal koji se nalazi u njima. Jedna strana uređaja je vruća, a druga hladna. Termoelektrični materijal nalazi se u sredini. Toplina teče kroz materijal, a dio topline se pretvara u električnu energiju koja napušta uređaj putem žica. Materijal mora imati izuzetno nisku toplinsku vodljivost, a da i dalje zadržava dobru električnu vodljivost kako bi bio učinkovit u pretvorbi otpadne topline. Budući da izvor topline može biti visok do 400-500 stupnjeva Celzijevih, materijal mora biti stabilan na vrlo visokim temperaturama. Ovi i drugi izazovi čine termoelektrične uređaje težim za proizvodnju od solarnih ćelija.
'Događalo se nešto đavolsko'
Godine 2014. Kanatzidis i njegov tim izvijestili su o otkriću iznenađujućeg materijala koji je bio najbolji u pretvaranju otpadne topline u korisnu električnu energiju: kristalni oblik kemijskog spoja kositrenog selenida. Iako je važno otkriće, monokristalni oblik je nepraktičan za masovnu proizvodnju zbog svoje krhkosti i sklonosti ljuštenju. Bio je potreban kositar selenid u polikristalnom obliku, koji je jači i može se rezati i oblikovati za primjenu, pa su se istraživači okrenuli proučavanju materijala u tom obliku. Uz neugodno iznenađenje, otkrili su da je toplinska vodljivost materijala visoka, a ne poželjna niska razina koja se nalazi u monokristalnom obliku. "Shvatili smo da se događa nešto đavolsko", rekao je Kanatzidis. “Očekivalo se da kositreni selenid u polikristalnom obliku neće imati visoku toplinsku vodljivost, ali jest. Imali smo problem.” Nakon detaljnijeg ispitivanja, istraživači su otkrili sloj oksidiranog kositra na materijalu. Toplina je tekla kroz vodljivu opnu, povećavajući toplinsku vodljivost, što je nepoželjno u termoelektričnom uređaju.
Rješenje je pronađeno, otvaranje primjene
Nakon što su saznali da oksidacija dolazi iz samog procesa i početnih materijala, korejski tim pronašao je način uklanjanja kisika. Istraživači su tada mogli proizvesti kuglice kositrenog selenida bez kisika, koje su zatim testirali. Prava toplinska vodljivost polikristalnog oblika je izmjerena i utvrđeno je da je niža, kao što se prvotno očekivalo. Njegova izvedba kao termoelektričnog uređaja, koji pretvara toplinu u električnu energiju, nadmašila je izvedbu oblika monokristala, što ga čini najučinkovitijim dosad zabilježenim.
Učinkovitost pretvorbe otpadne topline u termoelektrikama odražava se njegovom "vrijednošću", brojem koji se naziva ZT. Što je veći broj, to je bolja stopa konverzije. Ranije je utvrđeno da je ZT monokristalnog kositrenog selenida približno 2,2 do 2,6 na 913 Kelvina. U ovoj novoj studiji, istraživači su otkrili da pročišćeni kositreni selenid u polikristalnom obliku ima ZT od približno 3,1 na 783 Kelvina. Njegova toplinska vodljivost bila je ultraniska, manja od monokristala. "Ovo otvara primjenu za nove uređaje koji će se graditi od polikristalnih peleta kositrenog selenida i istraživati njihove primjene", rekao je Kanatzidis.
Northwestern posjeduje intelektualno vlasništvo za materijal kositrenog selenida. Potencijalna područja primjene termoelektričnog materijala uključuju automobilsku industriju (značajna količina potencijalne energije benzina izlazi iz ispušne cijevi vozila), tešku proizvodnu industriju (kao što je proizvodnja stakla i cigle, rafinerije, elektrane na ugljen i plin) i mjesta gdje veliki motori s izgaranjem neprekidno rade (kao što su veliki brodovi i tankeri).
news.northwestern.edu
