De belofte van thermo-elektrische materialen als een bron van schone energie heeft geleid tot de zoektocht naar materialen die op efficiënte wijze aanzienlijke hoeveelheden stroom kunnen produceren uit afvalwarmte.

Onderzoekers meldden vrijdag een grote stap voorwaarts, publiceren in wetenschappelijke vooruitgang de ontdekking van een nieuwe verklaring voor asymmetrische thermo-elektrische prestaties, het fenomeen dat optreedt wanneer een materiaal dat zeer efficiënt is in een vorm die een positieve lading draagt, veel minder efficiënt is in de vorm die een negatieve lading draagt, of vice versa.

Zhifeng Ren, M. D. Anderson, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Houston, directeur van het Texas Center for Superconductivity aan de UH en corresponderende auteur op het papier, zei dat ze een model hebben ontwikkeld om de voorheen onopgeloste ongelijkheid in prestaties tussen de twee soorten formuleringen te verklaren. Vervolgens hebben ze het model toegepast om veelbelovende nieuwe materialen te voorspellen om energie op te wekken met behulp van restwarmte van elektriciteitscentrales en andere bronnen.

De onderzoekers wisten al dat thermo-elektrische efficiëntie afhangt van de prestaties van het materiaal in beide vormen, bekend als "p-type" en "n-type" voor het dragen van een positieve en negatieve lading, respectievelijk. Maar de meeste materialen bestaan ​​niet in beide formuleringen of het ene type is efficiënter dan het andere.

Veelbelovend nieuw materiaal gesynthetiseerd

Het is mogelijk om effectieve thermo-elektrische apparaten te bouwen met alleen een p-type of n-type verbinding, maar het is gemakkelijker om een ​​apparaat te ontwerpen dat beide typen bevat; Ren zei dat de beste prestaties zouden komen wanneer beide typen vergelijkbare eigenschappen vertonen.

De onderzoekers synthetiseerden een van de voorspelde materialen, een zirkonium-kobalt-bismutverbinding, en rapporteerde een gemeten warmte-naar-elektriciteit conversie-efficiëntie van 10,6% aan zowel de koude kant, ongeveer 303 Kelvin, of ongeveer 86 graden Fahrenheit, en de warme kant, ongeveer 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) voor zowel het p-type als het n-type.

juni Mao, een postdoctoraal onderzoeker aan de UH en een eerste auteur van het rapport, zeiden dat ze bepaalden dat de asymmetrische prestaties van sommige materialen verband houden met het feit dat de lading in de twee soorten formuleringen met verschillende snelheden beweegt. "Als de ladingsbeweging van zowel de positieve lading, voor p-type, en de negatieve lading, voor n-type, is soortgelijk, de thermo-elektrische prestaties van beide typen zijn vergelijkbaar, " hij zei.

Wetende dat, ze waren in staat om de mobiliteitsverhouding te gebruiken om de prestaties van voorheen niet-bestudeerde formuleringen te voorspellen.

"Als de thermo-elektrische prestaties van één type materiaal experimenteel zijn bestudeerd, terwijl het andere type nog niet is onderzocht, het is mogelijk om de ZT te voorspellen door gebruik te maken van de geïdentificeerde relatie tussen de asymmetrie en de gewogen mobiliteitsratio, " schreven de onderzoekers. ZT, of het cijfer van verdienste, is een metriek die wordt gebruikt om te bepalen hoe efficiënt een thermo-elektrisch materiaal warmte omzet in elektriciteit.

Nieuw model voorspelt zeer efficiënte materialen

Hangtian Zhu, een postdoctoraal onderzoeker aan de UH en de andere eerste auteur van het rapport, zei dat de volgende stap is om te bepalen hoe het overeenkomstige type materiaal moet worden geformuleerd, zodra een materiaal met een hoog rendement in het p-type of n-type is gevonden.

Dat kan experimenten vereisen om de beste doteringsstof te bepalen - onderzoekers passen de prestaties aan door een kleine hoeveelheid van een extra element aan de verbinding toe te voegen, bekend als "doping" - om de prestaties te verbeteren, zei Zhu.

Dat is waar het nieuwe begrip van asymmetrische prestaties binnenkomt. Zhu zei door te voorspellen welke verbindingen in beide typen hoge prestaties zullen hebben, onderzoekers worden aangemoedigd om te blijven zoeken naar de beste combinatie, zelfs als vroege pogingen niet slaagden.