Warmte efficiënter omgezet in elektriciteit door te sleutelen aan nanostructuur

In de industrie kan meer dan twee derde van de geproduceerde energie verloren gaan als hitte. Thermo-elektrische materialen hebben de eigenschap om die warmte om te zetten in elektriciteit, waardoor het een effectieve manier kan zijn om industriële processen te verduurzamen. Materiaalwetenschappers uit Delft hebben ontdekt dat de energieopbrengst uit warmte efficiënter kan, door aanpassingen te doen in de nanostructuur van het thermo-elektrische materiaal. Hun artikel is onlangs gepubliceerd in Nano Energy.

Momenteel wordt thermo-elektriciteit niet op grote schaal ingezet, omdat de energieopbrengst niet opweegt tegen de kosten van de thermo-elektrische materialen. Eerder toonden Zuid-Koreaanse onderzoekers aan dat er onder invloed van temperatuur bepaalde nanostructuren kunnen ontstaan in het materiaal. Deze uitkomst gebruikten Biswanath Dutta en Poulumi Dey als startpunt voor hun onderzoek, waarbij ze het materiaal analyseren en er theoretische simulaties op loslaten. ‘We werkten met een zogeheten NbCoSn half-Heusler verbinding,’ legt Dutta uit, ‘een verbinding die bestaat uit niobium, kobalt en tin. Door met de hoeveelheden van die elementen te spelen, verandert de efficiëntie van het materiaal.’

In hun simulaties voegden Dutta en Dey op verschillende positie in de nanostructuur een of twee extra kobaltatomen toe. ‘In de simulaties zagen we dat de positie van die atomen erg belangrijk is voor de prestaties van het materiaal,’ vertelt Dey. ‘Dit was nog niet eerder aangetoond in experimenten, omdat de resolutie van de metingen daar te laag voor is.’

Daarnaast namen de onderzoekers bij het positioneren van de kobalt atomen ook een ander effect waar in het materiaal: Het ‘energie filterend’-effect. Hierbij worden elektronen met weinig energie als het ware tegengehouden, terwijl elektronen met veel energie door kunnen stromen. Dey: ‘Dit filter wordt gevormd door de raakvlakken tussen de nanostructuren in het materiaal, die er samen voor zorgen dat energieopbrengst omhoog gaat.’

Nu Dutta en Dey hebben aangetoond hoe de nanostructuur van invloed is op de productie van elektriciteit, kan dat worden toegepast in de ontwikkeling van nieuwe thermo-elektrische materialen. Dutta: ‘Op dit moment worden die materialen gemaakt in een lang en grondig proces van het samenpersen en verhitten van voorgevormde structuren. Wij stellen voor om met ongevormde materialen te beginnen en daar de nanostructuren in aan te brengen.’ Hierdoor kan het lange en energie slurpende vormingsproces worden overgeslagen, terwijl het elektro-thermische materiaal uiteindelijk efficiënter wordt. De bevindingen van de materiaalwetenschappers brengen daarmee de haalbaarheid van de massaproductie van thermo-elektriciteit een stuk dichterbij.

Meer informatie
Artikel in Nano Energy: https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285520310922

Contact
Dr. Poulumi Dey, P.Dey@tudelft.nl, +31682756809
Dr. Biswanath Dutta, B.Dutta@tudelft.nl, +31682429756
Persvoorlichter Dimmy van Ruiten, D.M.vanRuiten@tudelft.nl, +31639844164