Wetenschap
De benadering van thermo-elektrische materialen verhoogt de bandconvergentie om een tijdrovende aanpak van vallen en opstaan te voorkomen
Thermo-elektrische materialen kunnen een belangrijke rol spelen in de transitie naar schone energie, omdat ze elektriciteit kunnen produceren uit warmtebronnen die anders verloren zouden gaan zonder extra broeikasgassen te genereren of grote investeringen vooraf te vereisen. Maar hun belofte wordt afgeremd door het feit dat de meeste huidige thermo-elektrische materialen niet efficiënt genoeg energie produceren om bruikbaar te zijn voor veel praktische toepassingen.
De zoektocht naar nieuwe, efficiëntere materialen met complexe chemische samenstellingen is arbeidsintensief geweest en vereiste experimentele testen van elke voorgestelde nieuwe samenstelling uit meerdere materialen, en bracht vaak het gebruik van giftige of zeldzame elementen met zich mee. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Science , rapporteren onderzoekers van de Universiteit van Houston en Rice University een nieuwe aanpak om de realisatie van bandconvergentie in een reeks materialen te voorspellen.
Nadat ze hadden aangetoond dat een zo ontworpen materiaal, een p-type Zintl-verbinding, zeer efficiënte thermo-elektrische prestaties zou bieden, vervaardigden ze een thermo-elektrische module en rapporteerden ze een warmte-naar-elektriciteitsomzettingsefficiëntie van meer dan 10% bij een temperatuurverschil van 475 Kelvin. of ongeveer 855 graden Fahrenheit.
Zhifeng Ren, directeur van het Texas Center for Superconductivity bij UH (TcSUH) en corresponderend auteur van het artikel, zei dat de prestaties van de materialen ruim twee jaar stabiel bleven.
Hoewel er verschillende benaderingen zijn gebruikt om de efficiëntie te verbeteren, heeft een concept dat bekend staat als elektronische bandconvergentie de aandacht gekregen vanwege het potentieel ervan om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren.
"Normaal gesproken is het moeilijk om hoge prestaties uit thermo-elektrische materialen te halen, omdat niet alle elektronische banden in een materiaal bijdragen", zei Ren. "Het is nog moeilijker om complex materiaal te maken waarbij alle bands tegelijkertijd werken om de beste uitvoering te krijgen."
Voor dit werk, zei hij, concentreerden de wetenschappers zich eerst op het bedenken van een berekening om te bepalen hoe een materiaal gebouwd moest worden waarin alle verschillende energiebanden kunnen bijdragen aan de algehele prestaties. Vervolgens toonden ze aan dat de berekening zowel in de praktijk als in theorie werkte, door een module te bouwen om de verkregen hoge prestaties op apparaatniveau verder te verifiëren.
Bandconvergentie wordt beschouwd als een goede aanpak voor het verbeteren van thermo-elektrische materialen, omdat hierdoor de thermo-elektrische vermogensfactor toeneemt, die gerelateerd is aan het werkelijke uitgangsvermogen van de thermo-elektrische module. Maar tot nu toe was het ontdekken van nieuwe materialen met sterke bandconvergentie tijdrovend en resulteerde dit in veel valse starts.
"De standaardaanpak is vallen en opstaan", zegt Ren, die ook de Paul C.W. Chu en May P. Chern Endowed Chair in Condensed Matter Physics aan UH is. "In plaats van veel experimenten uit te voeren, stelt deze methode ons in staat onnodige mogelijkheden te elimineren die geen betere resultaten opleveren."
Om efficiënt te voorspellen hoe het meest effectieve materiaal gemaakt kan worden, gebruikten de onderzoekers een Zintl-legering met een hoge entropie, YbxCa1-x MgyZn2-y Sb2 , als case study, het ontwerpen van een reeks composities waardoor bandconvergentie gelijktijdig in alle composities werd bereikt.
Ren beschreef hoe het als volgt werkt:Als een team van tien mensen een voorwerp probeert op te tillen, zullen de langere leden het grootste deel van de last dragen, terwijl de kleinere leden niet zoveel bijdragen. Bij bandconvergentie is het doel om alle bandteamleden meer op elkaar te laten lijken (in dit voorbeeld zijn de lange bandleden korter en de korte leden langer), zodat ze allemaal kunnen bijdragen aan het dragen van de totale last.
Hier begonnen de onderzoekers met vier moederverbindingen die in totaal vijf elementen bevatten (ytterbium, calcium, magnesium, zink en antimoon). Ze voerden berekeningen uit om te bepalen welke combinaties van de moederverbindingen bandconvergentie konden bereiken. Toen dat eenmaal was vastgesteld, kozen ze de beste uit deze hoogwaardige samenstellingen om het thermo-elektrische apparaat te construeren.
"Zonder deze methode zou je moeten experimenteren en alle mogelijkheden moeten uitproberen", zegt Xin Shi, een UH-afgestudeerde student in Ren's groep en hoofdauteur van het artikel. "Dat kun je op geen enkele andere manier doen. Nu maken we eerst een berekening, ontwerpen we een materiaal, maken het dan en testen het."
De berekeningsmethode zou ook voor andere multi-compound materialen kunnen worden gebruikt, waardoor onderzoekers deze aanpak kunnen gebruiken om nieuwe thermo-elektrische materialen te creëren. Zodra de juiste moederverbindingen zijn geïdentificeerd, bepaalt de berekening welke verhouding van elk ervan in de uiteindelijke legering moet worden gebruikt.
Naast Ren en Shi omvatten de auteurs van het artikel Dr. Shaowei Song, een onderzoeker bij het Texas Center for Superconductivity, en Dr. Guanhui Gao van het Department of Materials Science and Nanoengineering bij Rice. Gao is nu bij UH.