Thermo-elektrische materialen kunnen afvalwarmte direct omzetten in elektriciteit. Tommi Tynell, MSc, die een promovendus is aan de Aalto University School of Chemical Technology, heeft hybride thermo-elektrische materialen ontwikkeld die nuttige eigenschappen van verschillende soorten materialen combineren.

Hij ontdekte dat door het toevoegen van organische lagen tussen lagen zink het mogelijk is om de prestaties van thermo-elektrische materialen te verbeteren. Er wordt ook aangenomen dat de organische lagen een belangrijk effect hebben bij het verminderen van de thermische geleidbaarheid, wat zeer nuttig zou zijn in thermo-elektrische materialen.

"Het ontwikkelen van efficiëntere thermo-elektrische materialen is een grote uitdaging, omdat de fysieke eigenschappen die de prestaties van de materialen beïnvloeden niet onafhankelijk van elkaar zijn. Het optimaliseren van een materiaal is erg moeilijk, want als je één functie verbetert, andere eigenschappen kunnen tegelijkertijd verslechteren, ' zegt Tynell.

Het grootste obstakel voor het brede gebruik van thermo-elektrische generatoren is het lage rendement van momenteel bekende thermo-elektrische materialen. In aanvulling, de beste bestaande verbindingen zijn niet bestand tegen de vereiste hoge temperaturen en bevatten vaak zeldzame en schadelijke elementen.

Milieuvriendelijke materialen

In zijn promotieonderzoek Tynell voegde laag na laag structuren op nanoschaal toe, het onderzoeken van hun formatie met behulp van röntgen- en infraroodapparaten. In het onderzoek, dunne films van zinkoxide werden gebruikt, omdat zinkoxide een van de meest veelbelovende thermo-elektrische oxidematerialen is. Oxidematerialen zijn milieuvriendelijk en op hun beurt is hun beschikbaarheid geen probleem. Er wordt aangenomen dat ze een belangrijke rol zullen spelen in de toekomstige ontwikkeling van duurzame energietechnologieën.

Tynell combineerde atomaire laagafzetting en moleculaire laagafzetting en slaagde er zo in een hybride superrooster te vervaardigen bestaande uit organische en anorganische verbindingen. Atomaire laagafzetting is een uiterst nauwkeurig gecontroleerd nanofabricageproces. Het proces werd gebruikt om gelaagde nanostructuren van honderd nanometer dik te maken, met extreem dunne organische lagen afgewisseld met dikkere anorganische lagen. Voor de organische stof zijn drie verschillende grondstoffen gebruikt:hydrochinon, 4-aminofenol en 4, 4'-oxydianiline. Alle geteste organische moleculen bleken de thermo-elektrische eigenschappen van de dunne zinkoxidefilm te beïnvloeden.

"Hoewel de structuren van de uitgangsmaterialen vrij gelijkaardig waren, de grootte van het effect was nogal variabel, afhankelijk van het bronmateriaal. Hydrochinon was de meest geschikte van de drie, omdat het het gemakkelijkst de gewenste structuren vormde."

Uniek onderzoek

Tommi Tynell promoveerde bij de onderzoeksgroep van Akademiehoogleraar Maarit Karppinen. Karppinen en haar team bestuderen al twaalf jaar thermo-elektrische materialen. Het onderzoek van de groep is uniek omdat het zeldzaam is om hybride materialen te gebruiken in thermo-elektrisch onderzoek. Slechts een paar onderzoeksgroepen in de wereld zijn momenteel gericht op het onderzoeken van de eigenschappen van hybride materialen. Door gebruik te maken van het oogsten van thermo-elektrische energie wordt het mogelijk om onze afhankelijkheid van traditionele energiebronnen te verminderen. Ongebruikte restwarmte is overal beschikbaar. Bijvoorbeeld, het wordt geproduceerd in industriële processen en huishoudens, en uitlaatgassen van auto's produceren ook verspilde warmte. Het onderzoek van Tommi Tynell is een stap om te kunnen profiteren van warmte die momenteel in het niets verdwijnt.