Profiteren van recente ontwikkelingen in het gebruik van theoretische berekeningen om de eigenschappen van nieuwe materialen te voorspellen, onderzoekers meldden donderdag de ontdekking van een nieuwe klasse half-Heusler thermo-elektrische verbindingen, waaronder een met een recordcijfer van verdienste - een metriek die wordt gebruikt om te bepalen hoe efficiënt een thermo-elektrisch materiaal warmte in elektriciteit kan omzetten.

"Het handhaafde het hoge cijfer van verdienste bij alle temperaturen, dus het kan mogelijk belangrijk zijn in toepassingen verderop, " zei natuurkundige Zhifeng Ren, directeur van het Texas Center for Superconductivity aan de Universiteit van Houston (TcSUH) en corresponderende auteur van een paper die het werk rapporteert, gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Thermo-elektrische materialen hebben in de onderzoeksgemeenschap steeds meer belangstelling gewekt als een potentiële bron van "schone" energie, geproduceerd wanneer het materiaal warmte - vaak afvalwarmte die wordt gegenereerd door elektriciteitscentrales of andere industriële processen - omzet in elektriciteit.

Er zijn een aantal veelbelovende materialen ontdekt, hoewel de meesten niet aan alle vereisten voor wijdverbreide commerciële toepassingen hebben kunnen voldoen. De onderzoekers zeiden dat hun ontdekking van half-Heusler-verbindingen bestaande uit tantaal, ijzer en antimoon leverden resultaten op die "behoorlijk veelbelovend zijn voor de opwekking van thermo-elektrische energie".

De onderzoekers maten de conversie-efficiëntie van één verbinding op 11,4 procent, wat betekent dat het materiaal 11,4 watt elektriciteit produceerde voor elke 100 watt warmte die het innam. Theoretische berekeningen suggereren dat de efficiëntie 14 procent zou kunnen bereiken, zei Ren, die ook MD Anderson Chair hoogleraar natuurkunde is aan de UH. Hij merkte op dat veel thermo-elektrische apparaten praktische toepassingen zullen hebben met een conversie-efficiëntie van 10 procent.

In alles, de onderzoekers voorspelden zes voorheen niet-gerapporteerde verbindingen en synthetiseerden er met succes één, die hoge prestaties leverde zonder het gebruik van dure elementen.

"We hebben 6 ongedocumenteerde verbindingen ontdekt en 5 daarvan zijn stabiel met de half-Heusler-kristalstructuur, schreven ze. "De op p-type TaFeSb gebaseerde half-Heusler, een van de verbindingen die in dit werk zijn ontdekt, toonde een veelbelovende thermo-elektrische prestatie."

Naast Ren en leden van zijn lab, het werk omvatte extra onderzoekers aan de UH; de Universiteit van Missouri; het Massachusetts Institute of Technology; Nationaal laboratorium voor gecondenseerde materie in Peking aan de Chinese Academie van Wetenschappen; Zuidwest-universiteit in Chongqing, China; het Instituut voor Metallische Materialen in Dresden, Duitsland; de Universiteit van Elektronische Wetenschap en Technologie van China; en de Universiteit van Shanghai.

Door te vertrouwen op theoretische berekeningen om verbindingen te voorspellen waarvan wordt verwacht dat ze hoge thermo-elektrische prestaties hebben, konden de onderzoekers de meest veelbelovende verbindingen aanscherpen. Maar eigenlijk het maken van materialen bestaande uit tantaal, ijzer en antimoon, een inspanning onder leiding van UH-postdoctorale onderzoekers en eerste auteurs Hangtian Zhu en Jun Mao, bleek complex, deels omdat de componenten zulke uiteenlopende fysieke eigenschappen hebben.

Tantaal, bijvoorbeeld, heeft een smeltpunt boven 3, 000 graden Celsius, terwijl het smeltpunt van antimoon 630 Celsius is. Tantaal is moeilijk, terwijl antimoon relatief zacht is, waardoor boogsmelten - een veelgebruikte methode om materialen te combineren - moeilijker wordt. Ze waren in staat om de compound te maken met een combinatie van kogelmalen en warmpersen.

Toen de verbinding eenmaal was gevormd, de onderzoekers zeiden dat het zowel de benodigde fysieke eigenschappen als de mechanische eigenschappen bood die de structurele integriteit zouden garanderen. Ren zei dat de gebruikte elementen allemaal relatief beschikbaar en goedkoop zijn, waardoor de verbinding kosteneffectief is.

Naast de eigenschappen van de verbinding zelf, de onderzoekers zeiden dat hun resultaten een sterke ondersteuning bieden voor verder vertrouwen op computationele methoden om experimentele inspanningen te sturen.

"Opgemerkt moet worden dat zorgvuldige experimentele synthese en evaluatie van een verbinding kostbaar zijn, terwijl de meeste theoretische berekeningen, vooral zoals toegepast in hoge doorvoermodi, zijn relatief goedkoop, ' schreven ze. 'Als zodanig, het kan nuttig zijn om meer geavanceerde theoretische studies te gebruiken bij het voorspellen van verbindingen voordat de inspanningen worden besteed aan zorgvuldig experimenteel onderzoek."