Thermo-elektrische materialen zetten warmte om in elektriciteit, waardoor ze uitermate aantrekkelijk zijn voor duurzame energieproductie, vooral omdat de industrie meer dan tweederde van haar energie kan verspillen aan warmte. Maar massaproductie van thermo-elektrische energie wordt momenteel beperkt door een lage energieconversie-efficiëntie. Nutsvoorzieningen, echter, onderzoekers Biswanath Dutta en Poulumi Dey van de afdeling Materials Science and Engineering van de TU Delft, niet alleen hebben kunnen verklaren hoe nanostructuren in thermo-elektrische materialen de energie-efficiëntie kunnen verbeteren, maar stellen ook een commercieel aantrekkelijke manier voor om nanogestructureerde thermo-elektrische materialen te vervaardigen, het vergroten van de kansen voor massaproductie van thermo-elektrische energie. Hun resultaten zijn gepubliceerd in Nano-energie .

Het uitgangspunt voor het werk van Dutta en Dey waren de experimentele resultaten van hun medeonderzoekers in Zuid-Korea die werkten met een bekend thermo-elektrisch materiaal, een zogenaamde NbCoSn half-Heusler-verbinding. "Dit is in feite een specifiek type kristalstructuur waarin je bepaalde elementen plaatst - in dit geval niobium, kobalt en tin, " legt Dutta uit. "En door te spelen met zowel de hoeveelheid als de positie van elk van de elementen - bijvoorbeeld door meer niobium in plaats van kobalt te plaatsen - kun je zien hoe dat de algehele efficiëntie van het materiaal beïnvloedt."

Wat de resultaten van hun Zuid-Koreaanse medewerkers lieten zien, was dat bij een bepaalde temperatuur, in dit materiaal werden bepaalde soorten nanostructuren gevormd. Dus deden Dutta en Dey theoretische simulaties op basis van deze waarnemingen:"Ten eerste simuleerden we het effect van het toevoegen van één of twee extra kobaltatomen, en in verschillende posities, om na te gaan of dat de efficiëntie zou verhogen of niet, ", zegt Dey. "Het bleek dat de positie van dit extra kobalt echt een belangrijke rol speelt bij de hele prestatie van dit materiaal, dat was iets dat het team dat de experimenten deed niet echt kon verklaren omdat het de resolutie van hun metingen te boven ging."

In aanvulling, Dutta en Dey konden ook een effect aantonen dat bekend staat als energiefiltering:"Je kunt het zien als een soort barrière voor elektronen onder een bepaalde energie, wat op zijn beurt de algehele elektrische geleidbaarheid verbetert, " legt Dutta uit. "Door de laagenergetische elektronen eruit te filteren en de hoogenergetische elektronen door te laten, er is een toename van de algehele efficiëntie."

"Dit is een nanostructuur-effect, " zegt Dey. "Het is de vorming van de nanostructuren in de rest van het materiaal, en de interface daartussen, dat fungeert als de barrière, dus als je deze nanostructuren niet hebt, je hebt dit effect niet omdat er geen interface is. Maar zodra deze nanostructuren zijn gevormd, je krijgt deze interfaces die de laagenergetische elektronen blokkeren, maar de hoogenergetische elektronen doorlaten met als resultaat dat de algehele energie-efficiëntie wordt verhoogd."

uiteindelijk, de simulaties van de TU Delft suggereerden twee redenen voor verhoogde energie-efficiëntie in dit op maat gemaakte NbCoSn thermo-elektrische materiaal:de aanwezigheid van extra kobaltatomen in specifieke posities die interstitiële plaatsen binnen de roosterstructuur worden genoemd, en ook het energiefilterende effect.

Bovendien, het verbeterde begrip waarom dit nanogestructureerde thermo-elektrische materiaal energiezuiniger is, suggereert een beter, meer toepasselijke manier om thermo-elektrische energie te produceren. "Momenteel, nanogestructureerde thermo-elektrische materialen worden gemaakt door een lang en rigoureus proces van verpletteren en verwarmen van voorgevormde structuren, " legt Dutta uit "wat zowel tijd als energie kost, dus niet ideaal voor massaproductie." In plaats van de conventionele route te volgen, de teams stelden voor om te beginnen met een "ongestructureerd" of amorf materiaal:"Het voordeel van beginnen met een amorf materiaal is dat het geen onderliggende structuur heeft en je dus niet door dit lange proces van malen en verhitten hoeft te gaan homogenisatie. Het is dus energiezuiniger en daarom veel nuttiger voor massaproductie van thermo-elektrische energie." Goed nieuws voor ingenieurs in die industrieën die werken aan terugwinning van warmte op hoge temperatuur.