Abstract Energy Generation Concept 2
Thông tin công nghệ

Vật liệu mới đặc biệt chuyển đổi nhiệt thải thành năng lượng

Abstract Energy Generation Concept

Selenua thiếc tinh khiết có hiệu suất nhiệt điện cực cao.

Kiên trì, chiếc tàu thám hiểm Sao Hỏa năm 2020 của NASA, được cung cấp bởi một thứ rất đáng mơ ước trên Trái đất: một thiết bị nhiệt điện, chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng hữu ích.

Trên sao Hỏa, nguồn nhiệt là sự phân rã phóng xạ của plutonium, và hiệu suất chuyển đổi của thiết bị là 4-5%. Điều đó đủ tốt để cung cấp sức mạnh cho Perseverance và các hoạt động của nó nhưng không đủ tốt cho các ứng dụng trên Earth.

Một nhóm các nhà khoa học từ Đại học Northwestern và Đại học Quốc gia Seoul ở Hàn Quốc hiện đã chứng minh một vật liệu nhiệt điện hiệu suất cao ở dạng thực tế có thể được sử dụng trong phát triển thiết bị. Vật liệu – selenua thiếc tinh khiết ở dạng đa tinh thể – vượt trội hơn dạng đơn tinh thể trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện, khiến nó trở thành hệ thống nhiệt điện hiệu quả nhất được ghi nhận. Các nhà nghiên cứu đã có thể đạt được tỷ lệ chuyển đổi cao sau khi xác định và loại bỏ một vấn đề oxy hóa đã làm giảm hiệu suất trong các nghiên cứu trước đó.

Selenua thiếc đa tinh thể có thể được phát triển để sử dụng trong các thiết bị nhiệt điện thể rắn trong nhiều ngành công nghiệp, với khả năng tiết kiệm năng lượng rất lớn. Mục tiêu chính của ứng dụng là thu nhiệt thải công nghiệp – chẳng hạn như từ các nhà máy điện, công nghiệp ô tô và các nhà máy sản xuất gạch và kính – và chuyển nó thành điện năng. Hơn 65% năng lượng được sản xuất trên toàn cầu từ nhiên liệu hóa thạch bị thất thoát dưới dạng nhiệt thải.

Selen thiếc tinh khiết được thể hiện ở dạng viên. Vật liệu này có hiệu suất nhiệt điện cực cao. Nhà cung cấp: Đại học Northwestern

Mercouri Kanatzidis của Northwestern, một nhà hóa học chuyên về thiết kế các vật liệu mới cho biết: “Các thiết bị nhiệt điện đang được sử dụng, nhưng chỉ trong các ứng dụng thích hợp, chẳng hạn như trong tàu thám hiểm sao Hỏa”. “Những thiết bị này chưa thành công như pin mặt trời, và có những thách thức đáng kể để tạo ra những thiết bị tốt. Chúng tôi đang tập trung vào việc phát triển một loại vật liệu có giá thành thấp và hiệu suất cao, đồng thời thúc đẩy các thiết bị nhiệt điện vào ứng dụng rộng rãi hơn ”.

Kanatzidis, Giáo sư Hóa học Charles E. và Emma H. Morrison tại Đại học Khoa học và Nghệ thuật Weinberg, là đồng tác giả của nghiên cứu. Anh ấy có một cuộc hẹn chung với Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne.

Chi tiết về vật liệu nhiệt điện và hiệu suất cao kỷ lục của nó đã được công bố vào ngày 2 tháng 8 năm 2021, trên tạp chí Nature Materials .

In Chung của Đại học Quốc gia Seoul là đồng tác giả khác của bài báo. Vinayak Dravid, Giáo sư Abraham Harris về Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại Trường Kỹ thuật McCormick của Northwestern, là một trong những tác giả chính của nghiên cứu. Dravid là cộng tác viên lâu năm của Kanatzidis ‘.

Kanatzidis cho biết các thiết bị nhiệt điện đã được xác định rõ ràng, nhưng điều khiến chúng hoạt động tốt hay không là vật liệu nhiệt điện bên trong. Một bên của thiết bị nóng và bên kia lạnh. Vật liệu nhiệt điện nằm ở giữa. Nhiệt truyền qua vật liệu, và một phần nhiệt được chuyển hóa thành điện năng, thoát ra khỏi thiết bị qua dây dẫn.

Vật liệu cần có độ dẫn nhiệt cực thấp trong khi vẫn giữ được tính dẫn điện tốt để chuyển hóa nhiệt thải hiệu quả. Và bởi vì nguồn nhiệt có thể cao tới 400-500 độ C, vật liệu cần phải ổn định ở nhiệt độ rất cao. Những thách thức này và những thách thức khác khiến các thiết bị nhiệt điện khó sản xuất hơn pin mặt trời.

‘Có điều gì đó kỳ quặc đang xảy ra’

Vào năm 2014, Kanatzidis và nhóm của ông đã báo cáo việc phát hiện ra một vật liệu đáng ngạc nhiên là tốt nhất trên thế giới trong việc chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng hữu ích: dạng tinh thể của hợp chất hóa học thiếc selenua. Mặc dù là một khám phá quan trọng, nhưng dạng đơn tinh thể không thực tế để sản xuất hàng loạt vì tính dễ vỡ và có xu hướng bong tróc.

Cần thiếc selenua ở dạng đa tinh thể, mạnh hơn và có thể được cắt và tạo hình cho các ứng dụng, vì vậy các nhà nghiên cứu đã chuyển sang nghiên cứu vật liệu ở dạng đó. Trong một sự ngạc nhiên khó chịu, họ nhận thấy độ dẫn nhiệt của vật liệu là cao, chứ không phải mức thấp mong muốn ở dạng đơn tinh thể.

Kanatzidis nói: “Chúng tôi nhận ra điều gì đó kỳ quặc đang xảy ra. “Người ta kỳ vọng rằng selenua thiếc ở dạng đa tinh thể sẽ không có độ dẫn nhiệt cao, nhưng nó đã có. Chúng tôi đã có một vấn đề. ”

Khi kiểm tra kỹ hơn, các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra một lớp da thiếc bị oxy hóa trên vật liệu này. Nhiệt truyền qua lớp vỏ dẫn điện, làm tăng độ dẫn nhiệt, điều không mong muốn trong thiết bị nhiệt điện.

Một giải pháp được tìm thấy, mở những cánh cửa

Sau khi biết rằng quá trình oxy hóa đến từ cả quá trình và nguyên liệu ban đầu, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã tìm ra cách để loại bỏ oxy. Sau đó, các nhà nghiên cứu có thể sản xuất viên thiếc selenua không có oxy, sau đó họ đã thử nghiệm.

Độ dẫn nhiệt thực sự của dạng đa tinh thể đã được đo và nhận thấy là thấp hơn, như dự kiến ban đầu. Hiệu suất của nó như một thiết bị nhiệt điện, chuyển đổi nhiệt thành điện năng, vượt quá hiệu suất của dạng đơn tinh thể, khiến nó hoạt động hiệu quả nhất được ghi nhận.

Hiệu quả của quá trình chuyển hóa nhiệt thải trong nhiệt điện được phản ánh bằng “con số đáng giá” của nó, một con số được gọi là ZT. Con số càng cao, tỷ lệ chuyển đổi càng tốt. ZT của selenua thiếc đơn tinh thể trước đó được tìm thấy là xấp xỉ 2,2 đến 2,6 ở 913 Kelvin. Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy selenua thiếc tinh khiết ở dạng đa tinh thể có ZT xấp xỉ 3,1 ở 783 Kelvin. Độ dẫn nhiệt của nó cực thấp, thấp hơn so với các đơn tinh thể.

Kanatzidis cho biết: “Điều này mở ra cánh cửa cho các thiết bị mới được chế tạo từ các viên selenua thiếc đa tinh thể và các ứng dụng của chúng đã được khám phá.

Northwestern sở hữu tài sản trí tuệ đối với vật liệu selenua thiếc. Các lĩnh vực tiềm năng ứng dụng cho vật liệu nhiệt điện bao gồm công nghiệp ô tô (một lượng đáng kể năng lượng tiềm tàng của xăng đi ra khỏi ống xả của xe), các ngành sản xuất nặng (như thủy tinh và sản xuất gạch, nhà máy lọc dầu, nhà máy nhiệt điện than và khí) và những nơi có động cơ đốt lớn hoạt động liên tục (chẳng hạn như trong tàu lớn và tàu chở dầu).

Tham khảo: “SnSe đa tinh thể với nhiệt điện có giá trị lớn hơn đơn tinh thể” của Chongjian Zhou, Yong Kyu Lee, Yuan Yu, Sejin Byun, Zhong-Zhen Luo, Hyungseok Lee, Bangzhi Ge, Yea-Lee Lee, Xinqi Chen, Ji Yeong Lee, Oana Cojocaru-Mirédin, Hyunju Chang, Jino Im, Sung-Pyo Cho, Matthias Wuttig, Vinayak P. Dravid, Mercouri G. Kanatzidis và In Chung, ngày 2 tháng 8 năm 2021, Vật liệu tự nhiên .
DOI: 10.1038 / s41563-021-01064-6

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Quỹ Nghiên cứu Quốc gia Hàn Quốc (NRF) do chính phủ Hàn Quốc tài trợ (NRF-2020R1A2C2011111), Chương trình Phát triển Công nghệ Vật liệu Nano thông qua khoản tài trợ NRF do Chính phủ Hàn Quốc tài trợ (NRF-2017M3A7B4049274 và NRF-2017M3A7B4049273) và Viện Khoa học Cơ bản (IBS-R009-G2).

Theo Scitechdaily

What's your reaction?

Excited
0
Happy
0
In Love
0
Not Sure
0

You may also like

Leave a reply

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Website này sử dụng Akismet để hạn chế spam. Tìm hiểu bình luận của bạn được duyệt như thế nào.