Thermo-elektrische technologie kan elektriciteit opwekken uit restwarmte, hoewel hun prestaties kunnen leiden tot een knelpunt voor bredere toepassingen. Materiaalwetenschappers kunnen de configuratie-entropie van een materiaal reguleren door verschillende atoomsoorten te introduceren om de fasesamenstelling af te stemmen en de ruimte voor prestatie-optimalisatie uit te breiden. In een nieuw verslag nu op Wetenschap , Binbin Jang et al. gebruikte een op n-type loodselenide (PbSe) gebaseerd materiaal met hoge entropie gevormd door entropie-gedreven structurele stabilisatie. De grotendeels vervormde roosters in het systeem met hoge entropie veroorzaakten ongebruikelijke afschuifspanningen om sterke fononverstrooiing te verschaffen om de thermische geleidbaarheid van het rooster te verlagen. Het werk presenteert een nieuw paradigma om de thermo-elektrische prestaties van thermo-elektrische materialen met hoge entropie te verbeteren met behulp van entropie-engineering.

Thermo-elektrische technologie

Materiaalwetenschappers hebben technologieën ontwikkeld die restwarmte kunnen opvangen die het gevolg is van conversieprocessen die bijdragen aan meer dan tweederde van het energieverspilling in de wereld. Thermo-elektrische technologie is een aantrekkelijke optie voor eenvoudige aanpassing in veel situaties vanwege zijn kleine formaat, gebrek aan roterende delen en gasemissies. Een bestaand obstakel voor thermo-elektrische technologie is de lage conversie-efficiëntie. Typisch, onderzoekers kunnen de energie-efficiëntie bepalen ten opzichte van elektrische geleidbaarheid en rooster thermische geleidbaarheid van thermo-elektrische materialen. Onderzoekers hadden daarom de parameters geoptimaliseerd door bandstructuren af ​​te stemmen, microstructuren en bindingstoestanden met een reeks voorgestelde methoden in bandconvergentie, resonantieniveau, legeren, nanostructuur en vloeistofachtige ionen. Hoewel verschillend genoemd, deze methoden helpen over het algemeen de elektrische transporteigenschappen te verbeteren en het thermische transportpad te vernietigen.

Legeringen met hoge entropie (HEA's)

Legeringen met hoge entropie (HEA's) bieden doorgaans een pad om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren door fononverstrooiing te versterken op basis van hun wanorde en vervormd rooster. Wetenschappers kunnen de elektronische eigenschappen van het materiaal reguleren om het elektronentransport in stand te houden voor gebruik in een breed scala aan chemische samenstellingen. Deze materialen worden doorgaans gedefinieerd als een vaste oplossing die meer dan vijf hoofdelementen bevat en het concept kan worden uitgebreid om entropie-gestabiliseerde functionele materialen te creëren. Materiaalwetenschappers hadden voor het eerst entropie-gestabiliseerde functionele materialen met hoge entropie gerapporteerd die ofwel magnesium, kobalt, nikkel, koper, zinkoxide gevolgd door perovskieten, fluoriet, spinellen, carbiden en siliciden. In een bepaald systeem, wanneer de toename van entropie groter is dan die van enthalpie, de configuratie-entropie zal toenemen met toenemende elementsoorten, wat leidt tot een verminderde Gibbs-vrije energie en een gestabiliseerde kristalstructuur. Onderzoekers kunnen ook een nieuwe fase vormen met entropie als drijvende kracht voor prestatie-optimalisatie. Op deze manier zijn structuren gestabiliseerd, behield vrije energie waar het structurele stabilisatie-effect de concurrentie tussen entropie en enthalpie gebruikte. Jang et al. berekende de enthalpie en vibrationele entropie met behulp van de dichtheidsfunctionaaltheorie om te laten zien hoe het entropiegedreven structurele stabilisatie-effect van een materiaalsysteem een ​​effectieve methode vormde om diverse materialen met hoge entropie te creëren met een samenstelling voorbij de oplosbaarheidslimiet om een ​​gevarieerd scala aan eigenschappen te bieden voor geoptimaliseerde prestaties.

De gestabiliseerde structuren handhaafden de atomaire rangschikking op lange afstand om een ​​elektrisch transportnetwerk te vormen. De wanorde op korte afstand in materialen met een hoge entropie zorgde ervoor dat de roosterstoornis warmtedragende fononen sterk verstrooide die de thermische geleidbaarheid van het rooster van de materialen met hoge entropie verlaagden, om vervolgens thermische transporteigenschappen te verkrijgen met temperatuurverschil in de thermo-elektrische modus. Onderzoekers hadden eerder verbeterde thermo-elektrische prestaties opgemerkt bij een reeks materialen met een hoge entropie. Echter, Jang et al. blijven om de relatie tussen configuratie-entropie, microstructuur en thermo-elektrische eigenschappen. Bijvoorbeeld, de oplosbaarheid in materialen is beperkt vanwege de grootte- en massaverschillen tussen de opgeloste stof en de oplosmiddelatomen, waardoor het een uitdaging wordt om legeringen met een hoge entropie te realiseren door alleen het legeringsgehalte te verhogen. Het team bestudeerde vervolgens de elementaire inhoud van de materialen met behulp van röntgendiffractie (XRD) patronen en energiedispersieve spectroscopie (EDS) mapping. Ze zochten naar materialen met een samenstelling die de oplosbaarheidslimiet overschreed om een ​​gevarieerd bereik te bieden voor optimale prestaties. Om de materiaalarchitectuur en homogeniteit verder te bevestigen, ze voerden high-angle ringvormig donkerveld (HAADF) en atomaire X-ray EDS-analyse uit met scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM). De resultaten toonden aan dat de verdeling van alle elementen homogeen was van micro- tot nanoschaal. Met behulp van EDS-toewijzingen met ultrahoge resolutie, Jang et al. de atomaire roosters en posities van elk element verder verduidelijkt, waar de goed gedefinieerde atomaire arrangementen waren verschillend van amorfe materialen.

Entropie-gedreven stabilisatie

Tijdens het proces van entropiegedreven stabilisatie, ze bereikten goed onderhouden atomaire opstelling, maar de sterke mismatch van atomaire grootte bracht het rooster in gevaar om het thermische transportproces sterk te beïnvloeden. Het team mat de verandering van stammen van lage entropie naar hoge entropie met behulp van monsters en liet zien hoe de resultaten tijdens het proces verdrievoudigden. Vervolgens gebruikten ze nanobeam-elektronendiffractie (NBED) om de roosterspanningen te detecteren en onderzochten ze de spanning op atomaire schaal met behulp van scanning-transmissie-elektronenmicroscopie en een ringvormig donkerveld met hoge hoek (STEM-HAADF). De entropie-gedreven structurele stabilisatie binnen het materiaalsysteem werkte samen met het ernstig vervormde rooster om elektrisch en thermisch transport binnen het materiaal te bewerkstelligen. Toen Jang et al. later introduceerde tin (Sn) in een materiaal, ze behielden elektronenstabiliteit en merkten op hoe een verminderde bandgap in plaats van hoge entropie resulteerde in intrinsieke excitatie bij hoge temperatuur.

Outlook

Op deze manier, Binbin Jian en collega's toonden een methode om verschillende thermo-elektrische materialen met hoge entropie te vormen via entropie-gedreven structurele stabilisatie met elektrische transporteigenschappen die goed worden onderhouden door de gestabiliseerde structuur. De grote spanningen van het ernstig vervormde rooster in materialen met hoge entropie zorgden voor een sterke verstrooiing voor warmtedragende fononen, dus om bij te dragen aan een ultralage rooster thermische geleidbaarheid. Deze resultaten resulteerden in verbeterde functies van temperatuur voor de materialen met hoge entropie, naast een hoge thermische conversie-efficiëntie tijdens de experimenten. Het werk geeft inzicht in entropie-engineering voor hoogwaardige thermo-elektrische materialen en modules als een aantrekkelijk pad om hoogwaardige functionele materialen te ontwikkelen.

© 2021 Science X Network