Neutronanläggningar vid Oak Ridge National Laboratory hjälper forskare i forskning för att öka kraften och effektiviteten hos termoelektriska material. Dessa prestandaökningar kan möjliggöra mer kostnadseffektiva och praktiska användningar av termoelektrisk, med bredare industriantagande, att förbättra bränsleekonomin i fordon, göra kraftverk mer effektiva, och utveckla kroppsvärmedrivna tekniker för klockor och smartphones.

Termoelektriska material, typiskt metallföreningar, kan omvandla värme till elektricitet och vice versa i närvaro av en temperaturgradient, vilket gör dem idealiska för applikationer inom spillvärmeåtervinning.

Termoelektrik skulle kunna utnyttja enorma mängder oanvänd spillvärme som produceras av industriell verksamhet, kraftproduktion från fossila bränslen, kommersiella byggnader, fordon, och även människor genom att omvandla den "förlorade" värmen till användbar energi. Men hittills har deras tillämpning begränsats till tilläggstekniker på grund av deras låga effektivitet jämfört med konventionella former av energiproduktion.

För att nå riktmärken för fristående värmedrivna enheter, forskare tittar nu djupare – ner till atomerna – på lovande material och metoder för att höja effektivitetspoängen.

Arbeta med ett magnesium-antimonbaserat material, ett internationellt forskarlag ledd av fysikern Zhifeng Ren vid University of Houston har visat på en avsevärd ökning av legeringens effektfaktor, eller total energiproduktion, med en teknik som kallas defektteknik. Genom att ersätta koboltatomer på strategiska platser, forskare ändrade vägen för elektroner på ett sätt som avsevärt förbättrade deras rörlighet. Neutronanalys utförd vid ORNL spelade en nyckelroll för att verifiera metodens framgång.

Resultaten, publicerad i Proceedings of the National Academy of Sciences , är kommersiellt relevanta med ett meritvärde, eller ZT-värde, av ~1,7 uppnådd i termoelektrisk verkningsgrad. Mest signifikant är materialets ökning av effektfaktor vid rumstemperatur med ett rekordhopp från 5 till 13 μW·cm ⁻¹ ·K ⁻² som mer än fördubblade materialets totala energiproduktion.

Den resulterande effektfaktorn är långt ifrån rekordet på 106 vid rumstemperatur som Ren och andra tidigare nått, men metoden att förstärka den skulle kunna tillämpas på överlägsna material – särskilt de med en effektfaktor som redan är över 100 – för att göra den mest effektiva termoelektriken ännu bättre.

Tillvägagångssättet fungerar genom att justera föreningens atomstruktur för att övervinna ett inneboende motstånd i flödet av elektroner som har begränsat potentialen för termoelektrik. På atomnivå, termoelektriska effekter uppstår när bärare, eller elektroner, rör sig som svar på temperaturen. När elektroner rör sig genom material, de interagerar med atomer och blir utspridda på en kretsväg snarare än en direkt väg, vilket resulterar i ineffektiv energiomvandling.

För att producera mer värme eller mer kraft med termoelektrik, Forskning har generellt sett gynnat två vägar – att öka antalet operatörer eller öka operatörernas rörlighet. Att designa ett material eller ändra ett befintligt material för att rymma fler elektroner är en lösning, även om det är svårt att modifiera ett material samtidigt som det behåller dess termoelektriska egenskaper. Ett annat alternativ, antagen av forskargruppen, är att finjustera materialen på atomnivå för att jämna ut vägen för elektroner att passera med mindre motstånd, därigenom höjer materialets effektfaktor.

Målet är inte att skapa mer utrymme i material, utan snarare att förfina de naturliga vibrationerna hos atomer som styr deras interaktioner med elektroner genom att introducera "defekter" som inte är naturligt närvarande. Genom att strategiskt placera rätt mängd kobolt i den justerade legeringen, forskare kan sprida elektronerna i legeringen mer effektivt.

"Det här är ett sofistikerat sätt att förbättra termoelektrik från botten och upp genom att kontrollera hur elektroner sprids genom material, " sa ORNLs Clarina de la Cruz, som samarbetade i studien.

Som instrumentforskare för HB-2A Neutron Powder Diffractometer vid High Flux Isotope Reactor, de la Cruz ledde neutronspridningsforskningen för att analysera det koboltdopade Mg ₃ Sb ₂ material.

Ett nyckelmål för forskare var att fastställa de exakta platserna för ersättningskoboltatomerna som introducerades för att verifiera deras roll som elektronspridningscentra. Arbetet skulle inte ha varit möjligt utan användningen av neutroner och deras unika, oförstörande förmåga att observera materia på atomnivå.

Neutroner var viktiga på grund av materialets komplexitet, förklarade de la Cruz. "Att titta på strategiska substitutioner på övergångsmetaller och identifiera mycket små koncentrationer av kobolt är ingen liten uppgift. Även utan den extra utmaningen med substitutioner, några av dessa grundämnen är så nära varandra i det periodiska systemet att det är extremt svårt att dechiffrera dem med röntgenstrålar eller andra metoder. Du behöver verkligen neutroner för att lösa den här typen av problem."

"Neutronvetenskap har blivit en integrerad del av slingan för att öka prestandan hos termoelektrik, " sa de la Cruz. "Forskare runt om i världen som designar nya material använder ORNL:s neutronanläggningar för att verifiera och förbättra sina resultat, I detta fall, främjar framtida energisäkerhet."

Forskningen stöds delvis av Solid-State Solar Thermal Energy Conversion Center, ett Energy Frontier Research Center finansierat av DOE Office of Science.

Artikel ursprungligen publicerad i Neutronnyheter .