NanoTrade

Během posledních dvou desetiletí bylo objeveno několik vysoce výkonných termoelektrických materiálů,

ale bez účinných zařízení pro přeměnu energie, kterou produkují, na energii bez emisí, jejich příslib nebyl naplněn. Mezinárodní tým vědců, vedený fyzikem University z Houstonu (UH) a několika jeho bývalých studentů, oznámil nový přístup ke konstrukci termoelektrických modulů pomocí nanočástic stříbra ke spojení elektrod a metalizačních vrstev modulů.

Práce popsaná v článku publikovaném v Nature Energy by měla urychlit vývoj pokročilých modulů pro výrobu energie a další využití. Použití nanočástic stříbra bylo testováno na stabilitu v modulech vyrobených ze tří různých nejmodernějších termoelektrických materiálů navržených pro provoz v širokém rozsahu teplot.

Termoelektrické materiály přitahují stále větší zájem kvůli jejich potenciálu jako zdroje čisté energie, která se vyrábí, když materiál přeměňuje teplo – jako je odpadní teplo generované elektrárnami nebo jinými průmyslovými procesy – na elektřinu, využitím toku tepelného proudu z teplejší oblasti do chladnější oblasti. Ale využití této schopnosti vyžaduje nalezení materiálu, který dokáže spojit horké a studené kontakty materiálu jak elektricky, tak tepelně, aniž by to narušilo vlastnosti materiálu.

„Spojovací materiál nebo pájka se roztaví, aby se vytvořilo rozhraní mezi oběma stranami. To znamená, že pájka musí mít vyšší bod tání, než je provozní teplota zařízení, aby zůstala stabilní, když zařízení funguje“, řekl Zhifeng Ren, ředitel Texaského centra pro supravodivost v UH a odpovídající autor článku. „Pokud termoelektrický materiál pracuje při vyšších teplotách, spojovací vrstva se znovu roztaví“.

Problémem však může být i případ, kdy má spojovací materiál příliš vysoký bod tání, protože vysoké teploty mohou ovlivnit stabilitu a výkon termoelektrických materiálů během procesu spojování. Ideální spojovací materiál by tedy měl oba relativně nízkou teplotu tání pro sestavení modulu, aby nedestabilizoval termoelektrické materiály, ale pak by byl schopen odolat vysokým provozním teplotám bez opětovného roztavení.

Stříbro má pro takový spojovací materiál cenné vlastnosti s vysokou tepelnou vodivostí a vysokou elektrickou vodivostí. Má však také relativně vysoký bod tání, 962° Celsia, což může ovlivnit stabilitu mnoha termoelektrických materiálů. Pro tuto práci vědci využili skutečnosti, že stříbrné nanočástice mají mnohem nižší bod tání než objemové stříbro. Po sestavení modulu se nanočástice vrátily do volného stavu a znovu získaly vyšší bod tání pro operace.

"Pokud vyrobíte ze stříbra nanočástice, bod tání může být až 400 nebo 500° C, v závislosti na velikosti částic. To znamená, že zařízení můžete bez problémů používat při 600° C nebo 700° C, pokud provozní teplota zůstává pod bodem tání sypkého stříbra nebo 962° C“ řekl Ren, který je také profesorem fyziky na UH.

Na projektu spolupracoval s pěti bývalými studenty a postdoktorandskými výzkumníky z výzkumné skupiny Ren; nyní jsou na Harbinském technologickém institutu v Shenzhenu v Číně a v Pekingské národní laboratoři pro fyziku kondenzovaných látek při Čínské akademii věd v Pekingu.

Vědci testovali nanočástice stříbra se třemi známými termoelektrickými materiály, z nichž každý pracuje při jiné teplotě.

Modul na bázi olověného teluru, který pracuje při nízké teplotě asi 573 Kelvinů až asi 823 K (300° C až 550° C), vytvořil účinnost přeměny tepla na elektřinu asi 11 % a zůstal stabilní po 50 tepelných cyklech, podle výzkumníků.

Použili také nanočástice stříbra jako spojovací materiál v modulech využívajících nízkoteplotní telurid vizmutu a poloviční Heuslerův vysokoteplotní materiál, což naznačuje, že tento koncept bude fungovat pro různé termoelektrické materiály a účely.

„V závislosti na zamýšleném zdroji tepla se používají různé materiály“, řekl Ren, aby se zajistilo, že materiály vydrží aplikované teplo. "Ale tento výstup dokazuje, že bez ohledu na materiál můžeme použít stejné nanočástice stříbra pro pájku, pokud aplikované teplo nepřesáhne 960° C, abychom zůstali pod bodem tání stříbra" uvedl.

Zdroj: Nature Energy, University of Houston