Zilveren nanodeeltjes zorgen voor belangrijke vooruitgang in thermo-elektriciteit voor energieopwekking

In de afgelopen twee decennia zijn verschillende hoogwaardige thermo-elektrische materialen ontdekt, maar zonder efficiënte apparaten om de energie die ze produceren om te zetten in emissievrije energie, is hun belofte niet ingelost. Nu heeft een internationaal team van wetenschappers onder leiding van een natuurkundige van de Universiteit van Houston en een aantal van zijn voormalige studenten een nieuwe benadering gerapporteerd voor het construeren van de thermo-elektrische modules, met behulp van zilveren nanodeeltjes om de elektrode- en metallisatielagen van de modules te verbinden.

Het werk, beschreven in een paper gepubliceerd op 1 mei in Natuur Energie, zou de ontwikkeling van geavanceerde modules voor energieopwekking en ander gebruik moeten versnellen. Het gebruik van zilveren nanodeeltjes is getest op stabiliteit in modules die zijn opgebouwd uit drie verschillende ultramoderne thermo-elektrische materialen, ontworpen om te werken bij een breed temperatuurbereik.

Thermo-elektrische materialen hebben steeds meer belangstelling gekregen vanwege hun potentieel als bron van schone energie, geproduceerd wanneer het materiaal warmte – zoals afvalwarmte die wordt gegenereerd door energiecentrales of andere industriële processen – omzet in elektriciteit door gebruik te maken van de stroom van warmtestroom uit een warmer gebied naar een koeler gebied. Maar om van dat vermogen te profiteren, moet een materiaal worden gevonden dat de warme en koude kanten van het materiaal zowel elektrisch als thermisch met elkaar kan verbinden, zonder de prestaties van het materiaal te verstoren.

Het verbindingsmateriaal, of soldeersel, wordt gesmolten om een ​​interface tussen de twee kanten te creëren. Dat betekent dat het soldeersel een hoger smeltpunt moet hebben dan de bedrijfstemperatuur van het apparaat om stabiel te blijven terwijl het apparaat werkt, zei Zhifeng Ren, directeur van het Texas Center for Superconductivity bij UH en een overeenkomstige auteur op het papier. Als het thermo-elektrische materiaal bij hogere temperaturen werkt, zal de verbindingslaag opnieuw smelten.

Maar het kan ook een probleem zijn als het bindmateriaal een te hoog smeltpunt heeft, omdat hoge temperaturen de stabiliteit en prestaties van de thermo-elektrische materialen tijdens het verbindingsproces kunnen aantasten. Het ideale verbindingsmateriaal zou dan zowel een relatief laag smeltpunt hebben voor het assembleren van de module, om de thermo-elektrische materialen niet te destabiliseren, maar dan in staat zijn om hoge bedrijfstemperaturen te weerstaan ​​zonder opnieuw te smelten.

Zilver heeft waardevolle eigenschappen voor zo’n bindmateriaal, met een hoge thermische geleidbaarheid en een hoge elektrische geleidbaarheid. Maar het heeft ook een relatief hoog smeltpunt, namelijk 962 graden Celsius, wat de stabiliteit van veel thermo-elektrische materialen kan aantasten. Voor dit werk maakten de onderzoekers gebruik van het feit dat zilveren nanodeeltjes een veel lager smeltpunt hebben dan bulkzilver. De nanodeeltjes keerden terug naar een bulktoestand nadat de module was geassembleerd, waardoor ze het hogere smeltpunt voor operaties terugkregen.

“Als je van zilver nanodeeltjes maakt, kan het smeltpunt zo laag zijn als 400 graden of 500 graden C, afhankelijk van de deeltjesgrootte. Dat betekent dat je het apparaat zonder problemen kunt gebruiken bij 600 C of 700 C, zolang de bedrijfstemperatuur blijft onder het smeltpunt van bulkzilver, of 962 C, “zei Ren, die ook MD Anderson Professor of Physics is aan de UH.

Hij werkte aan het project met vijf oud-studenten en postdoctorale onderzoekers van de onderzoeksgroep Ren; ze zijn nu aan het Harbin Institute of Technology in Shenzhen, China, en het Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics aan de Chinese Academie van Wetenschappen in Beijing.

De onderzoekers testten de zilveren nanodeeltjes met drie bekende thermo-elektrische materialen, die elk op een andere temperatuur werken.

Een op lood-telluurium gebaseerde module, die werkt bij een lage temperatuur van ongeveer 573 Kelvin tot ongeveer 823 K (300 ° C tot 550 ° C), produceerde een warmte-naar-elektriciteitsomzettingsrendement van ongeveer 11% en bleef stabiel na 50 thermische cycli, aldus de onderzoekers.

Ze gebruikten ook de zilveren nanodeeltjes als het verbindingsmateriaal in modules met bismuttelluride bij lage temperatuur en een half-Heusler-materiaal bij hoge temperatuur, wat aangeeft dat het concept zou werken voor een verscheidenheid aan thermo-elektrische materialen en doeleinden.

Verschillende materialen worden gebruikt, afhankelijk van de beoogde warmtebron, zei Ren, om ervoor te zorgen dat de materialen de toegepaste hitte kunnen weerstaan. “Maar dit document bewijst dat we, ongeacht het materiaal, dezelfde zilveren nanodeeltjes kunnen gebruiken voor het soldeer, zolang de toegepaste warmte niet boven de 960 graden C komt”, zei hij.