Thermo-elektrische materialen efficiënter door sleutelen op nanoniveau
In de industrie kan meer dan twee derde van de geproduceerde energie verloren gaan als hitte. Thermo-elektrische materialen converteren warmte naar elektriciteit en kunnen daarmee helpen om industriële processen effectief te verduurzamen. Materiaalwetenschappers uit Delft ontdekten dat de energieopbrengst uit warmte efficiënter kan door aanpassingen te doen in de nanostructuur van het thermo-elektrische materiaal.
De grootschalige inzet van thermo-elektriciteit bleef tot nu toe uit omdat de energieopbrengst niet opweegt tegen de kosten van de thermo-elektrische materialen. Zuid-Koreaanse onderzoekers toonden echter aan dat daarbinnen, onder invloed van temperatuur, bepaalde nanostructuren kunnen ontstaan.
Die uitkomst gebruikten Biswanath Dutta en Poulumi Dey als startpunt voor hun onderzoek, waarbij ze het materiaal analyseren en er theoretische simulaties op loslaten. ‘We werkten met een zogeheten NbCoSn half-Heusler verbinding,’ legt Dutta uit, ‘een verbinding die bestaat uit niobium, kobalt en tin. Door met de hoeveelheden van die elementen te spelen, verandert de efficiëntie van het materiaal.’ In hun simulaties voegden Dutta en Dey op verschillende positie in de nanostructuur een of twee extra kobaltatomen toe. ‘In de simulaties zagen we dat de positie van die atomen erg belangrijk is voor de prestaties van het materiaal,’ vertelt Dey. ‘Dit was nog niet eerder aangetoond in experimenten, omdat de resolutie van de metingen daar te laag voor is.’
Energiefilter
Daarnaast namen de onderzoekers bij het positioneren van de kobalt-atomen ook een ander effect waar in het materiaal: Het ‘energie filterend’-effect. Hierbij worden elektronen met weinig energie als het ware tegengehouden, terwijl elektronen met veel energie kunnen doorstromen. Dey: ‘Dat filter wordt gevormd door de raakvlakken tussen de nanostructuren in het materiaal. Samen zorgen die voor een grotere energieopbrengst.’
Ontwikkeling van nieuwe thermo-elektrische materialen
Nu Dutta en Dey hebben aangetoond hoe de nanostructuur van invloed is op de productie van elektriciteit, kan dat worden toegepast in de ontwikkeling van nieuwe thermo-elektrische materialen. Dutta: ‘Op dit moment worden die materialen gemaakt in een lang en grondig proces van het samenpersen en verhitten van voorgevormde structuren. Wij stellen voor om met ongevormde materialen te beginnen en daar de nanostructuren in aan te brengen.’ Dat omzeilt het tijd- en energievretende vormingsproces, en maakt het elektro-thermische materiaal uiteindelijk efficiënter. De bevindingen van de materiaalwetenschappers brengen de haalbaarheid van de massaproductie van thermo-elektriciteit een stuk dichterbij.
Lees de paper 'Tailoring nanostructured NbCoSn-based thermoelectric materials via crystallization of an amorphous precursor'.