Glas- och ståltillverkare producerar stora mängder bortkastad värmeenergi vid höga temperaturer, men termoelektriska enheter i fast tillstånd som omvandlar värme till el fungerar antingen inte vid tillräckligt höga temperaturer eller kostar så mycket att deras användning är begränsad till speciella applikationer som rymdfarkoster. MIT -forskare har utvecklat en flytande termoelektrisk enhet med en smält förening av tenn och svavel som effektivt kan omvandla spillvärme till elektricitet, öppnar vägen för överkomlig överföring av spillvärme till kraft vid höga temperaturer.

Youyang Zhao, en doktorand i biträdande professor i metallurgi Antoine Allanores forskargrupp, byggde en termoelektrisk testcell som fungerar i flytande tillstånd vid temperaturer från 950 till 1, 074 grader Celsius (1, 742 till 1, 965 grader Fahrenheit). Kommersiella termoelektriska enheter, baserat på material som vismut tellurid i fast tillstånd, arbeta vid cirka 500 C, och ett block av vismuttelluridkostnader i närheten av 150 gånger mer än tenn -sulfid per kubikmeter.

Efter smältning, tenn -sulfid ger en konsekvent termoelektrisk effekt över ett brett temperaturintervall upp till 200 grader över dess smältpunkt 882 C, säger Zhao, första författare till ett ECS Journal of Solid State Science and Technology -papper, "Smälta halvledare för hög temperatur termoelektricitet, "med Allanore och den nyutexaminerade Charles Cooper Rinzler PhD '17. Zhao fann inget signifikant prestandaförfall när han cyklade enheten upp till 1, 074 C och ner till 950 C över flera timmar.

"För mig, Jag värmer först upp provet till dess smältpunkt och skannar sedan temperaturen upp till 200 C över smältningen och skannar sedan tillbaka medan jag gör flera mätningar under uppvärmning och nedkylning. Vad vi fann är att fastigheten är ganska konsekvent, "Säger Zhao.

Material för storskalig industriell verksamhet

Zhaos termoelektriska enhet fungerar under förhållanden som är relevanta för industriella applikationer, medan materialet han använde, tenn -sulfid, tilltalar ur ett kostnadsperspektiv, Säger Allanore. Termoelektriska enheter fungerar genom att lägga ihop material som producerar en elektrisk spänning när det finns en temperaturskillnad mellan deras varma och svala sidor. Baklänges, de kan användas som kylanordningar som förvandlar en elektrisk ström till ett temperaturfall. Sådana anordningar används, till exempel, för att värma och kyla säten i lyxiga bilmodeller och för att driva elektronik ombord på rymdfarkoster på långa resor (med hjälp av en kärnkraftkälla och med specialanordningar som kan fungera vid högre temperaturer än kommersiella enheter).

Miljöfördelarna med att producera el från avloppsvärme ger sannolikt inte en främsta drivkraft för glas- och ståltillverkare att anta denna teknik, Föreslår Allanore. Dessa operationer måste köra sina kärl eller ugnar vid temperaturer på 1, 000 C eller högre för att tillverka sina produkter, och de tjänar sina vinster på dessa produkter. Men att nå denna höga värme är en engångskostnad. Om termoelektrisk hantering av den värmen gör att producenterna kan arbeta varmare, vilket kan öka produktiviteten, eller förlänga livslängden för deras utrustning, då är det mer troligt att de anpassar det, Säger Allanore. "Vi vet redan att vi i steady state har 1, 000 grader Celsius på den platsen, "säger han. Och det räcker för att smälta de halvledande materialen i en flytande termoelektrisk enhet.

"I början tänkte vi på hur vi implementerar i stor skala, på metallurgiska ugnar med hög temperatur, material som kan återvinna spillvärme. Det var vår första idé. Men då är den andra visionen av detta att säga, vad kan jag göra med den elen? Eftersom du inte kommer att distribuera det för att göra el, du kommer att distribuera det eftersom du har en verklig fördel för din produktion, "Förklarar Allanore. Att kunna hantera värme vid mycket hög temperatur tack vare elektriskt aktiva material som smälta föreningar är en fördel som nu är en möjlighet.

Dessa fynd kan ha stor inverkan på metallproducenter som redan hanterar hundratusentals ton per år kopparsulfid, järnsulfid, och liknande material i smält tillstånd, men som för närvarande inte utnyttjar materialets halvledande egenskaper. "Vi vet hur vi ska hantera dessa saker i mycket stor skala, "Säger Allanore.

Under 2013, Allanore och John F. Elliott Professor i materialkemi Donald R. Sadoway utvecklade en billig legering av krom och järn för att fungera som anoden vid tillverkning av stål genom smält oxidelektrolys. Processen producerar metall av hög renhet och frigör syre istället för koldioxid, som är en stor bidragsgivare till växthuseffekten. Ett MIT spinout -företag, Boston Electrometallurgical Corp., växte ur det arbetet, som har visat smält metallproduktion i skalan av flera hundra pund per dag.

Parningsteori och experiment

Det nya arbetet med termoelektriska enheter under liknande höga temperaturer ger experimentell bekräftelse på Allanore -labkollegan Rinzlers arbete som förklarar den teoretiska grunden för halvledande beteende i metallföreningar i deras heta, flytande tillstånd. Rinzlers arbete lägger fram en förutsägbar ram för att kvantifiera energiprofilen (termodynamik), kemisk struktur (konfiguration av atomer), och elektroniskt beteende i vissa flytande halvledande föreningar, såsom tenn -sulfid eller kopparsulfid.

"Det är inte en enkel fråga att bara säga vilket temperaturintervall du kan arbeta under? Det är vad du kan uppnå under praktiska driftsförhållanden som spelar roll för den aktuella applikationen och till vilken kostnadspunkt för material och enhet, "Säger Rinzler.

"Det fina med något sådant här är vi som kan fånga båda, vi kan förbättra insamlingen av spillvärme, som vi kan bry oss om ur ett energibesparingsperspektiv, men industrin uppmuntras att använda det eftersom det faktiskt gynnar dem i det sammanhang som de också bryr sig om direkt, "Säger Rinzler.

Mätt per dollar per watt, Allanore förklarar, smält tenn -sulfid -enheter kan vara viktiga för industrier som arbetar vid hög temperatur. "Dollaren per watt, när du har stor yta, bestäms av kostnaden för ditt material, "säger han. Andra fördelar med det föreslagna systemet inkluderar enkelheten att hantera tenn och svavel, den halvledande blandningens relativt höga elektriska konduktivitet och relativt låga toxicitet jämfört med föreningar som tellur och tallium eller bly och svavel.

Zhao flyttade från koncept till fungerande enhet inom ett år, anmärkningsvärda framsteg för vetenskaplig forskning, Allanore anteckningar. "Först, det är Youyang, som är mycket bra, och för det andra är det flytande tillstånd ... som gör denna typ av snabb demonstration möjlig, "säger han. Zhao tog sin kandidatexamen i materialvetenskap och teknik från Georgia Tech 2013.

Självläkande system

"Det flytande tillståndet är mycket förlåtande för stora temperaturförändringar på ett sätt som fast tillståndet inte är. Om du tänker på ett material i fast tillstånd som går igenom ett sådant temperaturintervall, du har alltid termisk expansion, mekaniska problem, korrosion, "Säger Allanore. Dessa fenomen hindrar många fasta material från att vara reversibla i den meningen att när temperaturen går upp och ner, prestanda kommer att förbli densamma. "Detta är återigen en av funktionerna i det flytande tillståndet. Vi kallar det självläkande, "förklarar han." Så länge du inte ändrar den kemiska sammansättningen makroskopiskt, du får bara samma material. Ur en teknisk synvinkel och antagande för storskalig applikation, Detta är en mycket viktig egenskap. "

"Jag tror att folk är rädda för det, på sätt och vis, eftersom det verkar farligt att vara varm och smält, men när du väl är smält och vet vad du gör, det är väldigt förlåtande, "Säger Allanore.

För deras experimentella enhet, forskarna anpassade en koncentrisk cylinderdesign liknande den som användes av avlidne Robert K. Williams, en mångårig forskare inom metall och keramik vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, för en 1968 -studie av värmeledningsförmåga i smält silversulfid. "De visade att konvektion är en riktigt viktig faktor för vätskor, "Säger Zhao." Och för oss, vi håller på att designa en enhet. Vi pratar inte bara om materialets egenskaper. Vi måste överväga cellgeometri och design. När du lägger in ett nytt material i en enhet, den totala egenskapen kan skilja sig från själva materialet. Så det betyder att det är den totala likvida egendomen, möjligen med effekt från konvektion, som dominerar enhetens prestanda. "

Forskare jämför olika termoelektriska material genom att bestämma deras "förtjänst, "som är ett mått på varje materials effektivitet vid termoelektrisk omvandling. För många potentiellt användbara föreningar vid hög temperatur, Allanore säger, den termoelektriska förtjänstfiguren har aldrig undersökts, så den nya enheten ger också ett experimentellt ramverk för att utvärdera detta.

Konvektionens roll

Den termoelektriska förtjänstsiffran för en enhet är något annorlunda än den för det termoelektriska materialet den använder på grund av effekter från naturlig konvektion samt störningar från själva enheten. I tidningen, Zhao säger, "Vi rapporterade enhetens förtjänst, inte nödvändigtvis för materialet, eftersom vi tror att det finns ett bidrag, eller det försämras prestanda, från naturlig konvektion. I det avseendet, om vi kunde minimera naturlig konvektion, meritvärdet för den här enheten kan gå upp. "

"Det är nästa steg för vår studie, "Säger Zhao." För närvarande försöker jag studera vad som är effekten av naturlig konvektion på antingen [Seebeck -koefficienten [ett mått på ett materials styrka vid omvandling av värme till el] eller elektrisk konduktivitet eller värmeledningsförmåga. "

MIT -forskarna har lämnat in en preliminär patentansökan för vissa aspekter av deras arbete.

"Allanores arbete är unikt för dess användning av flytande form av fasta halvledare för att omvandla värme till elektricitet, "säger Michael Chabinyc, University of California i Santa Barbara professor och docent i material, som inte var inblandad i denna forskning. "Egenskaperna hos flytande halvledare har tidigare studerats, men hans arbete översätter denna grundläggande kunskap till en praktisk tillämpning. En viktig aspekt av arbetet är användningen av jordmånga material som ger en potentiell väg att återvinna energi som slösas bort som värme på ett ekonomiskt sätt. "

Allanore hoppas att arbetet kommer att bredda förståelsen för smälta föreningar. Till skillnad från i fasta material där atomer är relativt fixerade, han säger, atomer i vätskor varierar i arrangemang på en skala från flera mikrometer till flera millimeter. Man kan tycka, till exempel, av skillnaden mellan vattenmolekylerna i ett block av frusen is kontra samma molekyler i en kruka med kokande vatten. "I ett smält material, du har konstant rörelse, och det är en komplexitet att den inte är närvarande i sitt fasta tillstånd och inte beskrivs av befintliga modeller av materialvetenskap vi lär ut i klassen, "Allanore säger." Vi är bekväma med att vi en dag kommer att överbrygga de två och sedan blir det en fullständig historia som inte bara talar om den elektroniska strukturen och egendomen, men också det vi kallar fysisk kemi, vilket är viskositet, densitet, diffusivitet - alla dessa fenomen som är väsentliga för det flytande tillståndet. "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.