Neutronenfaciliteiten in het Oak Ridge National Laboratory helpen wetenschappers bij onderzoek om de kracht en efficiëntie van thermo-elektrische materialen te vergroten. Deze prestatieverbeteringen kunnen een kosteneffectiever en praktischer gebruik van thermo-elektriciteit mogelijk maken, met een bredere acceptatie door de industrie, om het brandstofverbruik van voertuigen te verbeteren, elektriciteitscentrales efficiënter maken, en geavanceerde door lichaamswarmte aangedreven technologieën voor horloges en smartphones.

Thermo-elektrische materialen, typisch metaalverbindingen, kan warmte omzetten in elektriciteit en vice versa in aanwezigheid van een temperatuurgradiënt, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen in de terugwinning van restwarmte.

Thermo-elektriciteit zou kunnen profiteren van enorme hoeveelheden ongebruikte restwarmte die wordt geproduceerd door industriële activiteiten, opwekking van fossiele brandstoffen, commerciële gebouwen, voertuigen, en zelfs mensen door die "verloren" warmte om te zetten in bruikbare energie. Maar tot nu toe is hun toepassing beperkt gebleven tot add-on-technologieën vanwege hun lage efficiëntie in vergelijking met conventionele vormen van energieopwekking.

Om benchmarks te bereiken die zijn ingesteld voor stand-alone thermo-aangedreven apparaten, wetenschappers kijken nu dieper - tot aan de atomen - in veelbelovende materialen en methoden om de efficiëntiescores te verhogen.

Werken met een op magnesium-antimoon gebaseerd materiaal, een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de natuurkundige Zhifeng Ren van de Universiteit van Houston heeft een aanzienlijke toename van de arbeidsfactor van de legering aangetoond, of totale energie-output, met een techniek genaamd defect engineering. Door kobaltatomen te vervangen op strategische plaatsen, onderzoekers veranderden het pad voor elektronen op een manier die hun mobiliteit aanzienlijk verbeterde. Neutronenanalyse uitgevoerd bij ORNL speelde een sleutelrol bij het verifiëren van het succes van de methode.

De resultaten, gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences , commercieel relevant zijn met een cijfer van verdienste, of ZT-waarde, van ~ 1,7 bereikt in thermo-elektrisch rendement. Het meest significant is de toename van de arbeidsfactor van het materiaal bij kamertemperatuur met een recordsprong van 5 naar 13 μW·cm ⁻¹ ·K ⁻² dat de totale energie-output van het materiaal meer dan verdubbelde.

De resulterende arbeidsfactor is verre van het record van 106 bij kamertemperatuur dat eerder door Ren en anderen werd bereikt, maar de methode om het te versterken zou kunnen worden toegepast op superieure materialen - vooral die met een arbeidsfactor die al boven de 100 ligt - om de meest efficiënte thermo-elektrische materialen nog beter te maken.

De aanpak werkt door de atomaire structuur van de verbinding aan te passen om een ​​inherente weerstand in de stroom van elektronen te overwinnen die het potentieel van thermo-elektriciteit heeft beperkt. Op atomair niveau is thermo-elektrische effecten treden op wanneer dragers, of elektronen, bewegen als reactie op de temperatuur. Terwijl elektronen door materialen bewegen, ze interageren met atomen en worden verspreid op een omslachtig pad in plaats van een directe route, wat resulteert in inefficiënte energieconversie.

Om meer warmte of meer vermogen te produceren met thermo-elektriciteit, onderzoek heeft in het algemeen de voorkeur gegeven aan twee wegen:het verhogen van het aantal vervoerders of het vergroten van de mobiliteit van vervoerders. Het ontwerpen van een materiaal of het veranderen van een bestaand materiaal om meer elektronen op te nemen is één oplossing, hoewel het moeilijk is om een ​​materiaal aan te passen met behoud van zijn thermo-elektrische eigenschappen. Andere optie, aangenomen door het onderzoeksteam, is om de materialen op atomair niveau te verfijnen om de weg voor elektronen te effenen om door te gaan met minder weerstand, waardoor de arbeidsfactor van het materiaal wordt verhoogd.

Het doel is niet om meer ruimte te creëren in materialen, maar eerder om de natuurlijke trillingen van atomen die hun interacties met elektronen bepalen, te verfijnen door "defecten" te introduceren die van nature niet aanwezig zijn. Door strategisch de juiste hoeveelheid kobalt in de geknepen legering te plaatsen, onderzoekers kunnen de elektronen in de legering efficiënter verstrooien.

"Dit is een geavanceerde manier om thermo-elektriciteit van onderaf te verbeteren door de manier waarop elektronen door materialen worden verspreid te regelen, " zei Clarina de la Cruz van ORNL, die meewerkten aan het onderzoek.

Als instrumentwetenschapper voor de HB-2A neutronenpoederdiffractometer bij de High Flux Isotope Reactor, de la Cruz leidde het onderzoek naar neutronenverstrooiing om het met kobalt gedoteerde Mg . te analyseren ₃ sb ₂ materiaal.

Een belangrijk doel voor onderzoekers was om de precieze locaties te bepalen van de vervangende kobaltatomen die werden geïntroduceerd om hun rol als elektronenverstrooiingscentra te verifiëren. Het werk zou niet mogelijk zijn geweest zonder het gebruik van neutronen en hun unieke, niet-destructieve mogelijkheden voor het observeren van materie op atomair niveau.

Neutronen waren essentieel vanwege de complexiteit van het materiaal, verklaarde de la Cruz. "Het is geen sinecure om naar strategische vervangingen op overgangsmetalen te kijken en zeer kleine concentraties kobalt te identificeren. Zelfs zonder de extra uitdaging van vervangingen, sommige van deze elementen staan ​​zo dicht bij elkaar in het periodiek systeem dat het ontcijferen ervan met röntgenstralen of andere methoden buitengewoon moeilijk is. Je hebt echt neutronen nodig om dit soort problemen op te lossen."

"Neutronenwetenschap is een integraal onderdeel geworden van de kringloop bij het verbeteren van de prestaties van thermo-elektriciteit, "Zei de la Cruz. "Onderzoekers over de hele wereld die nieuwe materialen ontwerpen, gebruiken de neutronenfaciliteiten van ORNL om hun resultaten te verifiëren en te verbeteren, in dit geval, toekomstige energiezekerheid aan te wakkeren."

Het onderzoek wordt mede ondersteund door het Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, een Energy Frontier Research Center gefinancierd door het DOE Office of Science.

Artikel oorspronkelijk gepubliceerd in Neutronen Nieuws .