I vår pågående kamp för att minska användningen av fossilt bränsle, teknik för att direkt omvandla världens spillvärme till el framstår som mycket lovande. Termoelektriska material, som utför denna energiomvandlingsprocess, ha, Således, nyligen blivit i fokus för intensiv forskning över hela världen. Av de olika potentiella kandidaterna som är tillämpliga vid ett brett temperaturintervall, mellan 30 och 630 ° C, blytellurid (PbTe) erbjuder den bästa termoelektriska prestandan. Tyvärr, de enastående egenskaperna hos PbTe förmörkas av blyets giftiga natur, driver forskare att undersöka säkrare termoelektriska halvledare.

Tin telluride (SnTe) kan vara ett alternativ. Men det fungerar inte så bra som PbTe, och olika metoder för att förbättra dess termoelektriska prestanda studeras aktivt. Det finns två huvudproblem med SnTe som sänker sin förtjänst (ZT):dess höga värmeledningsförmåga och låga Seebeck -koefficient, som avgör hur stor den genererade termoelektriska spänningen är som en funktion av temperaturen. Även om forskare har lyckats förbättra dessa parametrar separat, det har visat sig svårt att göra det för båda samtidigt när det gäller SnTe.

I en ny studie publicerad i Journal of Chemical Engineering , ett par forskare från Chung-Ang University, Korea — Dr. Jooheon Kim och Hyun Ju - kom med en effektiv strategi för att lösa detta problem. Deras tillvägagångssätt bygger på nanostrukturering - att producera ett material med önskade strukturella egenskaper i nanometerskala. I detta specifika fall, forskarna producerade porösa SnTe -nanoskikt. Dock, att göra nanosheets av SnTe är anmärkningsvärt komplext med standardprocedurer, vilket fick forskarna att utarbeta en innovativ syntesstrategi.

De utnyttjade en annan halvledare:tinselenid (SnSe). Detta material har en skiktad struktur som är relativt lätt att exfoliera för att producera SnSe -nanoskikt. Forskarna nedsänkte dessa nanoskikt i en lösning av vinsyra (C ₄ H ₆ O ₆ ) och ren Te under en kvävgasatmosfär för att förhindra oxidation. Vad c ₄ H ₆ O ₆ gör är att extrahera Sn-Se-par från SnSe-nanoskikten, därigenom tillåts det upplösta Te ^- s att naturligtvis ersätta Se ^- anjon i de extraherade paren. Sedan, Sn-Te-paren återförenas med det ursprungliga nanoskiktet på ett lite '' ofullkomligt '' sätt, skapa porer och korngränser i materialet. Resultatet av hela denna process är anjonbytt poröst SnTe-nanoskikt.

Forskarna undersökte reaktionsmekanismerna som gjorde dessa SnTe nanosheets möjliga och sökte noggrant efter de syntesförhållanden som gav den optimala nanoskala morfologin. "Vi fann att nanostrukturen för de optimala anjonbytade porösa SnTe-nanoskikten, består av nanopartiklar på endast 3 nm i storlek med defekta former, ledde till en väsentlig minskning av värmeledningsförmågan och en högre Seebeck -koefficient jämfört med konventionell bulk SnTe, "säger Kim." Detta är ett direkt resultat av de införda nano -gränssnitten, porer, och defekter, som hjälper till att "skingra" annars enhetliga vibrationer i SnTe, kända som fononer, som äventyrar termoelektriska egenskaper, "tillägger han. ZT för de bäst presterande SnTe-nanoskikten var 1,1 vid en temperatur på 650 ° C; det är nästan tre gånger högre än för SnTe i bulk.

De övergripande resultaten av studien är mycket lovande inom området högpresterande termoelektriska material, som kommer att hitta applikationer inte bara inom energiproduktion, men också kylning, luftkonditionering, transport, och även biomedicinska anordningar. Lika viktigt, dock, är den insikt som erhålls genom att utforska en ny syntesstrategi, som Kim förklarar:"Den okonventionella metoden vi använde för att erhålla porösa SnTe -nanoskikt kan vara relevant för andra termoelektriska halvledare, liksom vid tillverkning och forskning av porösa och nanostrukturerade material för andra ändamål. "

Viktigast, med skörd av termisk energi som den mest eftertraktade tillämpningen av termoelektriska material, denna studie kan hjälpa industriella processer att bli mer effektiva. Termoelektriska halvledare låter oss utnyttja de stora mängder spillvärme som produceras dagligen och ger användbar elektrisk energi, och ytterligare forskning inom detta område kommer förhoppningsvis att bana väg för ett mer miljövänligt samhälle.