Điều chỉnh vật liệu nhiệt điện để phát điện hiệu quả
Hóa học và sự sắp xếp nguyên tử của các pha ranh giới hạt xác định sự vận chuyển điện tử qua ranh giới hạt. Pha giàu titan cung cấp đường dẫn điện (trái) trong khi pha giàu sắt có điện trở (phải) Ảnh: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Trong thời điểm năng lượng khan hiếm và các cách sản xuất năng lượng bền vững đang được khám phá, các vật liệu nhiệt điện đang được xem xét để phát điện để biến nhiệt thải thành điện năng. Tuy nhiên, để làm cho quá trình chuyển đổi này hiệu quả hơn và do đó có thể sử dụng được ở quy mô công nghiệp, cần phải hiểu rõ hơn về các đặc tính chức năng và cấu trúc của vật liệu.
Một nhóm nghiên cứu do Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) dẫn đầu hiện đã có thể điều chỉnh cấu trúc vi mô của một vật liệu nhiệt điện mới đầy hứa hẹn để chuyển đổi năng lượng hiệu quả. Nhóm đã công bố kết quả của họ trên tạp chí Advanced Energy Materials.
Điều chỉnh tính chất nhiệt điện thông qua kỹ thuật ranh giới hạt
Nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng cấu trúc và thành phần của ranh giới hạt rất quan trọng đối với tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu nhiệt điện. Thông thường, ranh giới hạt làm giảm cả tính dẫn nhiệt và dẫn điện của vật liệu trong khi mong muốn có nhiệt thấp nhưng độ dẫn điện cao.
Mục đích của các nhà nghiên cứu từ MPIE, Đại học Tây Bắc (Mỹ) và Viện nghiên cứu vật liệu và trạng thái rắn Leibniz Dresden (Đức) là sửa đổi ranh giới hạt để chỉ giảm độ dẫn nhiệt, trong khi độ dẫn điện của chúng vẫn cao. Họ đã sử dụng một hợp chất intermetallic NbFeSb nửa Heusler pha tạp Ti—một hợp kim nhiệt điện được phát triển gần đây nhưng đầy hứa hẹn.
Nó có các đặc tính nhiệt điện tuyệt vời ở nhiệt độ trung bình đến cao, độ bền cơ học và nhiệt tốt và các nguyên tố của nó có nhiều trong đất và lành tính.
"Chúng tôi đã sử dụng các kỹ thuật mô tả đặc tính tiên tiến như kính hiển vi điện tử truyền qua quét và chụp cắt lớp đầu dò nguyên tử để tiết lộ cấu trúc vi mô của các hợp kim ở cấp độ nguyên tử. Phân tích của chúng tôi cho thấy rằng sự sắp xếp hóa học và nguyên tử của ranh giới hạt có thể được điều chỉnh để thiết kế điện tử và nhiệt Ruben Bueno Villoro, nhà nghiên cứu tiến sĩ trong nhóm nghiên cứu độc lập "Nanoanalytics and Interfaces" tại MPIE và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm cho biết.
Vì kích thước hạt nhỏ nên số lượng ranh giới hạt tăng lên sẽ làm giảm đáng kể độ dẫn điện. "Bằng cách pha tạp hợp kim với titan, chúng tôi nhận thấy rằng các ranh giới hạt trở nên giàu titan và không còn điện trở, nhờ đó chúng tôi có thể tận dụng tối đa độ dẫn nhiệt thấp có lợi do kích thước hạt nhỏ mang lại", Tiến sĩ Siyuan Zhang, trưởng dự án giải thích cùng một nhóm nghiên cứu và tác giả tương ứng của ấn phẩm.
Sau khi chứng minh chiến lược kỹ thuật tạo ranh giới hạt, các nhà nghiên cứu đang khám phá những cách mới để pha tạp có chọn lọc các ranh giới hạt. Bằng cách liên hệ các đặc tính chức năng với cấu trúc nguyên tử của các đặc điểm cấu trúc vi mô quan trọng như ranh giới hạt, nhóm nghiên cứu đang phát triển các nguyên tắc thiết kế mới cho các vật liệu quan trọng cho một tương lai bền vững
