Termoelektriska material omvandlar värme till elektricitet, vilket gör dem extremt attraktiva för hållbar energiproduktion, särskilt med tanke på att industrin kan slösa mer än två tredjedelar av sin energi som värme. Men massproduktion av termoelektrisk energi begränsas för närvarande av låg energiomvandlingseffektivitet. Nu, dock, forskarna Biswanath Dutta och Poulumi Dey vid TU Delfts institution för materialvetenskap och teknik, har inte bara kunnat förklara hur nanostrukturer i termoelektriska material kan förbättra energieffektiviteten, men också föreslå ett kommersiellt attraktivt sätt att tillverka nanostrukturerade termoelektriska material, öka chanserna för massproduktion av termoelektrisk energi. Deras resultat publicerades i Nanoenergi .

Utgångspunkten för Dutta och Deys arbete var de experimentella resultaten från deras medforskare i Sydkorea som arbetade med ett välkänt termoelektriskt material, en så kallad NbCoSn halv-Heusler-förening. "Detta är i grund och botten en specifik typ av kristallstruktur som du lägger in vissa element i - i det här fallet niob, kobolt och tenn, ", förklarar Dutta. "Och genom att leka med både mängden och positionen för vart och ett av elementen - till exempel att lägga mer niob i stället för kobolt - kan du se hur det påverkar materialets totala effektivitet."

Vad resultaten från deras sydkoreanska medarbetare visade var att vid en specifik temperatur, vissa typer av nanostrukturer bildades i detta material. Så Dutta och Dey körde teoretiska simuleringar baserade på dessa observationer:"Först simulerade vi effekten av att lägga till antingen en eller två extra koboltatomer, och i olika positioner, för att ta reda på om det skulle öka effektiviteten eller inte, " säger Dey. "Det visade sig att positionen för denna extra kobolt verkligen har en viktig roll för hela prestandan för detta material, vilket var något som teamet som gjorde experimenten inte riktigt kunde förklara eftersom det var bortom upplösningen av deras mätningar."

Dessutom, Dutta och Dey kunde också demonstrera en effekt som kallas energifiltrering:"Du kan tänka på det som en sorts barriär för elektroner under en viss energi, vilket i sin tur förbättrar den totala elektriska ledningsförmågan, " förklarar Dutta. "Genom att filtrera bort lågenergielektronerna och låta högenergielektronerna passera igenom, det finns en ökning av den totala effektiviteten."

"Detta är en nanostruktureffekt, " säger Dey. "Det är bildandet av nanostrukturerna i resten av materialet, och gränssnittet mellan dem, som fungerar som barriären så om du inte har dessa nanostrukturer, du kommer inte att ha denna effekt eftersom det inte finns något gränssnitt. Men så snart dessa nanostrukturer bildas, du får dessa gränssnitt som blockerar lågenergielektronerna men låter högenergielektronerna passera med resultatet att den totala energieffektiviteten ökar."

I sista hand, TU Delft-simuleringarna föreslog två anledningar till ökad energieffektivitet i detta skräddarsydda termoelektriska NbCoSn-material:närvaron av extra koboltatomer i specifika positioner som kallas interstitiala platser inom gitterstrukturen, och även den energifiltrerande effekten.

Dessutom, den förbättrade förståelsen för varför detta nanostrukturerade termoelektriska material är mer energieffektivt tyder på en bättre, mer tillämpligt sätt att producera termoelektrisk energi. "För närvarande, nanostrukturerade termoelektriska material tillverkas genom en lång och rigorös process för att krossa och värma förformade strukturer, " förklarar Dutta "vilket är både tid- och energikrävande, så inte idealiskt för massproduktion." Istället för att gå den konventionella vägen, teamen föreslog att börja med ett "ostrukturerat" eller amorft material:"Fördelen med att börja med ett amorft material är att det inte har en underliggande struktur och så att du inte behöver gå igenom denna långa process av slipning och uppvärmning för homogenisering. Så det är mer energieffektivt och därför mycket mer användbart för massproduktion av termoelektrisk energi." Goda nyheter för ingenjörer i de industrier som arbetar med återvinning av högtemperaturvärme.