Efficiëntere omzetting van warmte in elektriciteit door te sleutelen aan nanostructuur

Thermo-elektrische materialen zetten warmte om in elektriciteit, waardoor ze uitermate aantrekkelijk zijn voor duurzame energieproductie, zeker gezien het feit dat de industrie meer dan tweederde van haar energie kan verspillen aan warmte. Maar massaproductie van thermo-elektrische energie wordt momenteel beperkt door energiezuinige conversie-efficiëntie. Nu hebben de onderzoekers Biswanath Dutta en Poulumi Dey van de afdeling Materials Science and Engineering van de TU Delft niet alleen kunnen uitleggen hoe nanostructuren in thermo-elektrische materialen de energie-efficiëntie kunnen verbeteren, maar ook een commercieel aantrekkelijke manier voorstellen om nano- gestructureerde thermo-elektrische materialen, waardoor de kansen op massaproductie van thermo-elektrische energie toenemen. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nano-energie.

Het uitgangspunt voor het werk van Dutta en Dey waren de experimentele resultaten van hun mede-onderzoekers in Zuid-Korea die werkten met een bekend thermo-elektrisch materiaal, een zogenaamde NbCoSn half-Heusler-compound. “Dit is eigenlijk een specifiek type kristalstructuur waarin je bepaalde elementen stopt, in dit geval niobium, kobalt en tin”, legt Dutta uit. “En door te spelen met zowel de hoeveelheid als de positie van elk van de elementen – door bijvoorbeeld meer niobium in plaats van kobalt te plaatsen – kun je zien hoe dat de algehele efficiëntie van het materiaal beïnvloedt.”

Wat de resultaten van hun Zuid-Koreaanse medewerkers lieten zien, was dat bij een bepaalde temperatuur bepaalde soorten nanostructuren werden gevormd in dit materiaal. Dus Dutta en Dey voerden theoretische simulaties uit op basis van deze observaties: “Ten eerste simuleerden we het effect van het toevoegen van een of twee extra kobaltatomen, en op verschillende posities, om erachter te komen of dat de efficiëntie zou verhogen of niet”, zegt Dey. “Het bleek dat de positie van dit extra kobalt echt een belangrijke rol speelt bij de hele prestatie van dit materiaal, iets dat het team dat de experimenten uitvoerde niet echt kon verklaren omdat het buiten de resolutie van hun metingen lag.”

Bovendien konden Dutta en Dey ook een effect aantonen dat bekend staat als energiefiltering: “Je kunt het zien als een soort barrière voor elektronen onder een bepaalde energie, wat op zijn beurt de algehele elektrische geleidbaarheid verbetert”, legt Dutta uit. “Door de laag-energetische elektronen eruit te filteren en de hoogenergetische elektronen te laten passeren, neemt het algehele rendement toe.”

“Dit is een nanostructuureffect”, zegt Dey. “Het is de vorming van de nanostructuren in de rest van het materiaal, en de interface ertussen, die fungeert als de barrière, dus als je deze nanostructuren niet hebt, heb je dit effect niet omdat er geen interface is. Maar zo snel als deze nanostructuren worden gevormd, krijg je deze grensvlakken die de lage-energie-elektronen blokkeren, maar de hoge-energie-elektronen doorlaten, met als resultaat dat de algehele energie-efficiëntie toeneemt. ”

Uiteindelijk suggereerden de simulaties van de TU Delft twee redenen voor een verhoogde energie-efficiëntie in dit op maat gemaakte thermo-elektrische materiaal van NbCoSn: de aanwezigheid van extra kobaltatomen op specifieke posities die interstitiële locaties binnen de roosterstructuur worden genoemd, en ook het energiefilterende effect.

Bovendien suggereert het verbeterde begrip waarom dit nanogestructureerde thermo-elektrische materiaal energie-efficiënter is, een betere, meer toepasbare manier om thermo-elektrische energie te produceren. “Momenteel worden nanogestructureerde thermo-elektrische materialen gemaakt door een lang en rigoureus proces van het breken en verwarmen van voorgevormde structuren”, legt Dutta uit “, wat zowel tijd als energie kost, dus niet ideaal voor massaproductie.” In plaats van de conventionele route af te leggen, stelden de teams voor om te beginnen met een ‘ongestructureerd’ of amorf materiaal: ‘Het voordeel van te beginnen met een amorf materiaal is dat het geen onderliggende structuur heeft en je dus niet door dit lange proces van malen en verhitten voor homogenisatie. Het is dus energiezuiniger en daarom veel nuttiger voor massaproductie van thermo-elektrische energie. ” Goed nieuws voor ingenieurs in die industrieën die werken aan het terugwinnen van warmte op hoge temperatuur.