Doorzettingsvermogen, NASA's 2020 Marsrover, wordt aangedreven door iets heel wenselijks hier op aarde:een thermo-elektrisch apparaat, die warmte omzet in bruikbare elektriciteit.

Op Mars, de warmtebron is het radioactieve verval van plutonium, en de conversie-efficiëntie van het apparaat is 4-5%. Dat is goed genoeg om Perseverance en zijn operaties van stroom te voorzien, maar niet helemaal goed genoeg voor toepassingen op aarde.

Een team van wetenschappers van de Northwestern University en de Seoul National University in Korea heeft nu een hoogwaardig thermo-elektrisch materiaal gedemonstreerd in een praktische vorm die kan worden gebruikt bij de ontwikkeling van apparaten. Het materiaal - gezuiverd tinselenide in polykristallijne vorm - presteert beter dan de eenkristalvorm bij het omzetten van warmte in elektriciteit, waardoor het het meest efficiënte thermo-elektrische systeem ooit is. De onderzoekers waren in staat om de hoge conversieratio te bereiken na het identificeren en verwijderen van een oxidatieprobleem dat de prestaties in eerdere onderzoeken had verslechterd.

Het polykristallijne tinselenide zou kunnen worden ontwikkeld voor gebruik in thermo-elektrische apparaten in vaste toestand in verschillende industrieën, met potentieel enorme energiebesparingen. Een belangrijk toepassingsdoel is het opvangen van industriële restwarmte, zoals van elektriciteitscentrales, de auto-industrie en glas- en baksteenfabrieken - en het omzetten in elektriciteit. Meer dan 65% van de wereldwijd geproduceerde energie uit fossiele brandstoffen gaat verloren als restwarmte.

"Thermo-elektrische apparaten zijn in gebruik, maar alleen in nichetoepassingen, zoals in de Marsrover, " zei Mercouri Kanatzidis van Northwestern, een chemicus die gespecialiseerd is in het ontwerpen van nieuwe materialen. "Deze apparaten zijn niet aangeslagen zoals zonnecellen, en er zijn aanzienlijke uitdagingen om goede te maken. We richten ons op het ontwikkelen van een materiaal dat goedkoop en goed presteert, en dat thermo-elektrische apparaten naar een meer wijdverbreide toepassing drijft."

Kanazidi's, de Charles E. en Emma H. ​​Morrison hoogleraar scheikunde aan het Weinberg College of Arts and Sciences, is een co-corresponderende auteur van de studie. Hij heeft een gezamenlijke afspraak met ArgonneNational Laboratory.

Details van het thermo-elektrische materiaal en zijn recordprestaties zullen op 2 augustus in het tijdschrift worden gepubliceerd Natuurmaterialen .

In Chung van Seoul National University is de andere co-corresponderende auteur van het artikel. Vinayak Dravid, de Abraham Harris Professor of Materials Science and Engineering aan de Northwestern's McCormick School of Engineering, is een van de senior auteurs van de studie. Dravid is een lange tijd medewerker van Kanatzidis'.

Thermo-elektrische apparaten zijn al goed gedefinieerd, zegt Kanatzidis, maar wat ervoor zorgt dat ze goed werken of niet, is het thermo-elektrische materiaal binnenin. De ene kant van het apparaat is warm en de andere kant koud. Het thermo-elektrische materiaal ligt in het midden. Warmte stroomt door het materiaal, en een deel van de warmte wordt omgezet in elektriciteit, die het apparaat via draden verlaat.

Het materiaal moet een extreem lage thermische geleidbaarheid hebben en toch een goede elektrische geleidbaarheid behouden om efficiënt te zijn bij de omzetting van afvalwarmte. En omdat de warmtebron wel 400-500 graden Celsius kan zijn, het materiaal moet stabiel zijn bij zeer hoge temperaturen. Deze uitdagingen en andere maken thermo-elektrische apparaten moeilijker te produceren dan zonnecellen.

'Er was iets duivels aan de hand'

In 2014, Kanatzidis en zijn team rapporteerden de ontdekking van een verrassend materiaal dat de beste ter wereld was in het omzetten van afvalwarmte in bruikbare elektriciteit:de kristalvorm van de chemische verbinding tinselenide. Hoewel een belangrijke ontdekking, de eenkristalvorm is onpraktisch voor massaproductie vanwege de kwetsbaarheid en neiging tot schilferen.

Tinselenide in polykristallijne vorm, die sterker is en kan worden gesneden en gevormd voor toepassingen, was nodig, dus gingen de onderzoekers het materiaal in die vorm bestuderen. In een onaangename verrassing, ze ontdekten dat de thermische geleidbaarheid van het materiaal hoog was, niet het gewenste lage niveau gevonden in de eenkristalvorm.

"We realiseerden ons dat er iets duivels aan de hand was, " zei Kanatzidis. "De verwachting was dat tinselenide in polykristallijne vorm geen hoge thermische geleidbaarheid zou hebben, maar het deed. We hadden een probleem."

Bij nader onderzoek, de onderzoekers ontdekten een huid van geoxideerd tin op het materiaal. Warmte stroomde door de geleidende huid, het verhogen van de thermische geleidbaarheid, hetgeen ongewenst is in een thermo-elektrisch apparaat.

Er wordt een oplossing gevonden, deuren openen

Nadat ik had vernomen dat de oxidatie van zowel het proces zelf als de uitgangsmaterialen kwam, het Koreaanse team vond een manier om de zuurstof te verwijderen. De onderzoekers konden dan tinselenidepellets produceren zonder zuurstof, die ze vervolgens testten.

De werkelijke thermische geleidbaarheid van de polykristallijne vorm werd gemeten en bleek lager te zijn, zoals oorspronkelijk verwacht. Zijn prestaties als thermo-elektrisch apparaat, warmte omzetten in elektriciteit, overtrof die van de eenkristalvorm, waardoor het de meest efficiënte ooit is.

De efficiëntie van de omzetting van afvalwarmte in thermo-elektriciteit wordt weerspiegeld door zijn "cijfer van verdienste, " een nummer genaamd ZT. Hoe hoger het nummer, hoe beter de conversieratio. De ZT van monokristallijn tinselenide bleek eerder ongeveer 2,2 tot 2,6 te zijn bij 913 Kelvin. In deze nieuwe studie de onderzoekers ontdekten dat het gezuiverde tinselenide in polykristallijne vorm een ​​ZT had van ongeveer 3,1 bij 783 Kelvin. De thermische geleidbaarheid was ultralaag, lager dan de eenkristallen.

"Dit opent de deur voor nieuwe apparaten die moeten worden gebouwd van polykristallijne tinselenidepellets en hun toepassingen worden onderzocht, ' zei Kanatzidis.

Northwestern is eigenaar van het intellectuele eigendom van het tinselenidemateriaal. Mogelijke toepassingsgebieden voor het thermo-elektrische materiaal zijn onder meer de auto-industrie (een aanzienlijke hoeveelheid potentiële energie van benzine gaat uit de uitlaat van een voertuig), zware verwerkende industrieën (zoals glas- en baksteenfabricage, raffinaderijen, kolen- en gasgestookte elektriciteitscentrales) en plaatsen waar grote verbrandingsmotoren continu draaien (zoals in grote schepen en tankers).

De titel van het artikel is "Polykristallijn SnSe met een thermo-elektrisch cijfer van verdienste dat groter is dan het eenkristal."