Uthållighet, NASA:s Mars-rover 2020, drivs av något mycket önskvärt här på jorden:en termoelektrisk enhet, som omvandlar värme till nyttig el.

På Mars, värmekällan är det radioaktiva sönderfallet av plutonium, och enhetens konverteringseffektivitet är 4-5 %. Det är tillräckligt bra för att driva Perseverance och dess verksamhet men inte riktigt tillräckligt bra för applikationer på jorden.

Ett team av forskare från Northwestern University och Seoul National University i Korea har nu demonstrerat ett högpresterande termoelektriskt material i en praktisk form som kan användas i enhetsutveckling. Materialet – renad tennselenid i polykristallin form – överträffar enkristallformen när det gäller att omvandla värme till elektricitet, vilket gör det till det mest effektiva termoelektriska systemet någonsin. Forskarna kunde uppnå den höga omvandlingshastigheten efter att ha identifierat och tagit bort ett oxidationsproblem som hade försämrat prestanda i tidigare studier.

Den polykristallina tennseleniden skulle kunna utvecklas för användning i termoelektriska enheter i fast tillstånd i en mängd olika industrier, med potentiellt enorma energibesparingar. Ett viktigt applikationsmål är att fånga upp industriell spillvärme – såsom från kraftverk, bilindustrin och glas- och tegelfabriker — och omvandla den till elektricitet. Mer än 65 % av den globala energin som produceras från fossila bränslen går förlorad som spillvärme.

"Termoelektriska enheter används, men bara i nischapplikationer, som i Mars rover, " sa Northwesterns Mercouri Kanatzidis, en kemist som är specialiserad på design av nya material. "Dessa enheter har inte fångat som solceller, och det finns betydande utmaningar att göra bra. Vi fokuserar på att utveckla ett material som är billigt och har hög prestanda och driver termoelektriska enheter till en mer utbredd tillämpning."

Kanatzidis, Charles E. och Emma H. ​​Morrison professor i kemi vid Weinberg College of Arts and Sciences, är en medförfattare till studien. Han har ett gemensamt möte med ArgonneNational Laboratory.

Detaljer om det termoelektriska materialet och dess rekordhöga prestanda kommer att publiceras den 2 augusti i tidskriften Naturmaterial .

I Chung från Seoul National University är tidningens andra medkorsande författare. Vinayak Dravid, Abraham Harris professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering, är en av studiens seniorförfattare. Dravid är en mångårig medarbetare till Kanatzidis.

Termoelektriska enheter är redan väldefinierade, säger Kanatzidis, men det som gör att de fungerar bra eller inte är det termoelektriska materialet inuti. Ena sidan av enheten är varm och den andra sidan kall. Det termoelektriska materialet ligger i mitten. Värme strömmar genom materialet, och en del av värmen omvandlas till el, som lämnar enheten via ledningar.

Materialet måste ha extremt låg värmeledningsförmåga samtidigt som det bibehåller god elektrisk ledningsförmåga för att vara effektivt vid spillvärmekonvertering. Och eftersom värmekällan kan vara så hög som 400-500 grader Celsius, materialet måste vara stabilt vid mycket höga temperaturer. Dessa utmaningar och andra gör termoelektriska enheter svårare att producera än solceller.

"Något djävulskt hände"

Under 2014, Kanatzidis och hans team rapporterade upptäckten av ett överraskande material som var bäst i världen på att omvandla spillvärme till användbar elektricitet:kristallformen av den kemiska föreningen tennselenid. Även om en viktig upptäckt, enkristallformen är opraktisk för massproduktion på grund av dess bräcklighet och tendens att flagna.

Tennselenid i polykristallin form, som är starkare och kan skäras och formas för applikationer, behövdes, så forskarna övergick till att studera materialet i den formen. I en obehaglig överraskning, de fann att materialets värmeledningsförmåga var hög, inte den önskvärda låga nivån som finns i enkristallformen.

"Vi insåg att något djävulskt höll på att hända, ", sa Kanatzidis. "Förväntningen var att tennselenid i polykristallin form inte skulle ha hög värmeledningsförmåga, men det gjorde det. Vi hade ett problem."

Vid närmare granskning, forskarna upptäckte ett skinn av oxiderat tenn på materialet. Värme flödade genom den ledande huden, öka värmeledningsförmågan, vilket är oönskat i en termoelektrisk anordning.

En lösning hittas, öppna dörrar

Efter att ha lärt sig att oxidationen kom från både själva processen och utgångsmaterialen, det koreanska laget hittade ett sätt att ta bort syret. Forskarna kunde då producera tennselenidpellets utan syre, som de sedan testade.

Den verkliga värmeledningsförmågan hos den polykristallina formen mättes och visade sig vara lägre, som ursprungligen väntat. Dess prestanda som en termoelektrisk enhet, omvandla värme till el, överträffade den för enkristallformen, vilket gör den till den mest effektiva någonsin.

Effektiviteten av spillvärmekonvertering i termoelektrik återspeglas av dess "förtjänstsiffra, " ett nummer som heter ZT. Ju högre nummer, desto bättre konverteringsfrekvens. ZT för enkristalltennselenid visade sig tidigare vara ungefär 2,2 till 2,6 vid 913 Kelvin. I denna nya studie, forskarna fann att den renade tennseleniden i polykristallin form hade en ZT på cirka 3,1 vid 783 Kelvin. Dess värmeledningsförmåga var ultralåg, lägre än enkristallerna.

"Detta öppnar dörren för nya enheter som kan byggas av polykristallina tennselenidpellets och deras tillämpningar utforskas, " sa Kanatzidis.

Northwestern äger den immateriella äganderätten för tennselenidmaterialet. Potentiella användningsområden för det termoelektriska materialet inkluderar bilindustrin (en betydande mängd av bensinens potentiella energi går ut ur ett fordons avgasrör), tung tillverkningsindustri (som glas- och tegeltillverkning, raffinaderier, kol- och gaseldade kraftverk) och platser där stora förbränningsmotorer arbetar kontinuerligt (som i stora fartyg och tankfartyg).

Titeln på tidningen är "Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single-crystal."