211service.com
Afvalwarmte omzetten in energie
Silicium, in de vorm van fotovoltaïsche cellen, is goed in het opwekken van elektriciteit uit zonlicht. Nieuw onderzoek toont aan dat het ook een goede thermo-elektrisch kan maken: een materiaal dat warmte omzet in elektriciteit en omgekeerd. Aangezien silicium overvloediger is dan de toonaangevende thermo-elektrische materialen en een enorme productie-infrastructuur erachter heeft, zou het uiteindelijk goedkope apparaten kunnen opleveren voor het opwekken van stroom uit de afvalwarmte van motoren of uit zonnewarmte.
Coole klant: Deze afbeelding, geproduceerd door een scanning-elektronenmicroscoop, toont een ruwe silicium nanodraad die twee verwarmingskussens overbrugt - de ene dient als warmtebron en de andere als sensor. Onderzoekers hebben ontdekt dat siliciumnanodraden van 50 nanometer breed een drastisch lagere warmtegeleiding hebben dan bulksilicium, maar hun elektrische geleidbaarheid behouden. Dus de nanodraden vertonen potentieel als thermo-elektrische materialen - degenen die warmte omzetten in elektriciteit en vice versa.
In deze week Natuur , University of California, Berkeley, hoogleraar scheikunde Peidong Yang en zijn collega's melden dat ze silicium nanodraden hebben gefabriceerd die elektriciteit opwekken wanneer er een temperatuurverschil over wordt toegepast. Tot nu toe werd silicium beschouwd als een slecht thermo-elektrisch materiaal. Maar volgens Yang zijn de prestaties van de nanodraden al vergelijkbaar met het beste bestaande thermo-elektrische materiaal.
Thermo-elektrische apparaten bestaan al sinds het begin van de jaren zestig, meestal gemaakt van bismuttelluride of loodtelluride. Ze worden voornamelijk gebruikt voor koeling: als er een spanning op een thermo-elektrisch materiaal wordt gezet, wordt het aan de ene kant heter en aan de andere kant koeler. Thermo-elektrische koelers worden in de volksmond gebruikt in draagbare picknickkoelers en verkoelende autostoelen.
Maar meer spannende toepassingen liggen in energie-efficiëntie en energieopwekking. Thermo-elektriciteit zou kunnen worden gebruikt om afvalwarmte die wordt gegenereerd door automotoren om te zetten in elektriciteit. Nog aantrekkelijker is het idee dat thermo-elektriciteit de warmte van de zon benut om elektriciteit op te wekken. Maar bismuttelluride en loodtelluride zijn niet efficiënt genoeg, dus apparaten die ervan gemaakt zijn, zijn zowel kostbaar als omvangrijk, omdat ze meer materiaal nodig hebben.
Thermo-elektriciteit zou minstens twee keer zo efficiënt moeten zijn als ze nu moeten worden gebruikt voor goedkope stroomopwekking, zegt Mildred Dresselhaus , een pionier op het gebied van thermo-elektriciteit en hoogleraar natuurkunde en elektrotechniek aan het MIT. Het gebruik van structuren op nanoschaal in plaats van bulkkristallen van de materialen kan hun efficiëntie verhogen, zegt ze. Nanostructuren blokkeren de warmtestroom, maar laten elektronen gemakkelijk stromen. Maar het verwerken en nanostructureren van bismuttelluride is niet eenvoudig.
Silicium daarentegen is veel gemakkelijker te verwerken en heeft een grote verwerkingsinfrastructuur, zegt Yang. Silicium heeft ook veel lagere kosten dan bismuttelluride. Het probleem met silicium is dat het een slechte thermo-elektrische stof is. Een goede thermo-elektriciteit moet twee dingen zijn: een goede elektrische geleider en een slechte warmtegeleider. Silicium geleidt zowel warmte als elektriciteit zeer goed.
Yang en zijn collega's verminderden de thermische geleidbaarheid van silicium door silicium nanodraden te gebruiken. Ze fabriceerden een reeks silicium nanodraden met een diameter tussen 20 en 300 nanometer. Nanodraadsynthese omvat vaak het vloeibaar maken van een nanodeeltje en het aanzetten tot groei, net als een haar. Maar dat levert nanodraden op met gladde oppervlakken. De chemische etsmethode die het team van Yang gebruikt, resulteert in plaats daarvan in nanodraden met ruwe oppervlakken. De onderzoekers ontdekten dat draden van ongeveer 50 nanometer breed de elektrische geleidbaarheid behouden, maar slechts een honderdste van de thermische geleidbaarheid hebben. Dit resulteert in een thermo-elektrisch rendement dat dicht in de buurt komt van dat van sommige commerciële bismuttelluridematerialen.
Geen enkele huidige theorie verklaart waarom de thermische geleidbaarheid van nanodraden zo drastisch daalt. Een van de redenen, meent Yang, is dat de bijna eendimensionale nanodraden en de ruwe randen van de draden de stroom van fononen blokkeren, deeltjes die warmte transporteren. Maar het volledige beeld blijft onduidelijk.
Ali Shakouri , een professor elektrotechniek aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, zegt dat onderzoekers moeten begrijpen hoe de fysica werkt voordat ze de technologie voldoende kunnen verbeteren om commerciële apparaten te produceren. Bovendien heeft het gebruik van nanodraden voor energieconversie en stroomopwekking zijn eigen beperkingen, zegt Shakouri. Dergelijke toepassingen vereisen grote arrays van nanodraden, maar in de Natuur paper, hebben Yang en zijn collega's de elektrische eigenschappen van individuele nanodraden gemeten. De onderzoekers zullen ervoor moeten zorgen dat die eigenschappen zich vertalen naar hele nanodraadarrays, zegt Shakouri: Variaties en interacties tussen nanodraden kunnen een aantal voordelen wegnemen.
Toch, zegt hij, is dit belangrijk werk dat een grote impact kan hebben. Shakouri wijst niet alleen op de demonstratie van het potentieel van silicium als thermo-elektrisch, maar ook op de unieke techniek die de onderzoekers gebruikten om ruwe nanodraden te maken. De nieuwe manier van spelen met materiaaleigenschappen is erg interessant, zegt hij. Het zou een manier kunnen openen om thermo-elektriciteit te verbeteren die op andere materialen kan worden toegepast.
Yang en zijn collega's denken ondertussen al na over hoe ze de prestaties van hun nanodraden kunnen verbeteren. Ze zijn van plan om de nanodraden te verkleinen en hun oppervlakken ruwer te maken dan ze al zijn. Dat zou hun thermo-elektrische eigenschappen moeten verbeteren, zegt Yang. De onderzoekers zijn ook van plan om een echt thermo-elektrisch apparaat te maken en te testen met behulp van silicium nanodraden.