Das Spiel des WVU-Labors

Oct 02, 2023

Die WVU-Forscher Sergio Andres Paredes Navia, Cesar Octavio Romo de la Cruz, Liang Liang und Ellena Gemmen untersuchen mit einem Elektronenmikroskop die Nanostruktur eines neuen Oxidkeramikmaterials mit dem Potenzial, thermoelektrische Generatoren effizient genug zu machen, um einen erheblichen Teil des Abfalls aufzufangen Wärme, die Industrieanlagen wie Kraftwerke abgeben. (Eingereichtes Foto)

Forscher der West Virginia University haben ein Material entwickelt, das das Potenzial hat, die Menge an Wärme, die Kraftwerke in die Atmosphäre abgeben, drastisch zu reduzieren.

Ein Team unter der Leitung von Xueyan Song, Professor und George B. Berry-Lehrstuhl für Ingenieurwissenschaften am Benjamin M. Statler College of Engineering and Mineral Resources, hat ein Oxidkeramikmaterial entwickelt, das ein seit langem bestehendes Effizienzproblem thermoelektrischer Generatoren löst. Diese Geräte können Strom aus Wärme erzeugen, einschließlich der Wärmeemissionen von Kraftwerken, die zur globalen Erwärmung beitragen.

Die bahnbrechende Oxidkeramik, die das Team von Song produzierte, „erreichte eine Rekordleistung, die man für unmöglich gehalten hatte“, sagte sie. „Wir haben die besten thermoelektrischen Oxidkeramiken demonstriert, über die in den letzten 20 Jahren weltweit auf diesem Gebiet berichtet wurde, und die Ergebnisse eröffnen neue Forschungsrichtungen, die die Leistung weiter steigern könnten.“

Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang und Sergio A. Paredes Navia trugen zu der Studie bei, unterstützt durch 639.784 US-Dollar an Mitteln der National Science Foundation. Die Ergebnisse erscheinen in Renewable and Sustainable Energy Reviews.

Oxidkeramik gehört zur gleichen Familie wie Keramik, Porzellan, Tonziegel, Zement und Silizium, enthält jedoch verschiedene metallische Elemente. Sie sind hart, hitze- und korrosionsbeständig und eignen sich gut für Hochtemperaturanwendungen in Luft. Sie können als Material für thermoelektrische Generatorkomponenten dienen.

Allerdings weisen Oxidkeramiken „polykristalline“ Strukturen auf, die aus mehreren verbundenen Kristallen bestehen. Bei groß angelegten thermoelektrischen Anwendungen dieser Materialien stoßen Ingenieure auf Probleme, da die „Korngrenzen“, die Orte, an denen diese Kristalle aufeinandertreffen, den Strom und den Elektronenfluss blockieren, der thermoelektrische Generatoren antreibt.

Songs Team verwandelte diesen Stolperstein in ein Sprungbrett.

„Wir haben der polykristallinen Keramik absichtlich ‚Dotierstoffe‘ oder Metallionen hinzugefügt, wodurch sich spezielle Arten von Dotierstoffen an den Korngrenzen absondern“, sagte der Postdoktorand Romo de la Cruz. „So haben wir die unvermeidlichen und schädlichen Korngrenzen in elektrisch leitende Pfade umgewandelt und so die thermoelektrische Leistung deutlich verbessert.“

Die Forschung reagiert auf das wachsende Problem der Abwärme, die zum Klimawandel beiträgt und ein Nebenprodukt der meisten Vorgänge ist, die Kraftstoff in Strom umwandeln. Wenn Glühbirnen heiß werden, geben sie Abwärme ab: ineffiziente zusätzliche Energie, die nicht zu ihrer Hauptaufgabe, der Lichterzeugung, beiträgt. Abwärme wird von so unterschiedlichen Systemen wie Kraftwerken, Hausheizungssystemen und Autos in die Atmosphäre abgegeben, und es wird so viel davon emittiert, dass der Weltmarkt für Systeme zur Rückgewinnung dieser Abwärme bis 2026 voraussichtlich 70 Milliarden US-Dollar überschreiten wird.

„Mit Wärme wird fast alles hergestellt, von Lebensmitteln über Metalle bis hin zu Elektrizität“, erklärte Romo de la Cruz. „Aber bei diesen Prozessen werden rund 60 % der erzeugten Energie unproduktiv in Form von Wärme an die Umwelt abgegeben. Die Rückgewinnung von Abwärme wird eine immer wichtigere Rolle spielen, um den wachsenden Strombedarf mit dem CO2-Fußabdruck industrieller Prozesse auszugleichen. Thermoelektrisches Oxid.“ Keramik wie unsere kommt ins Spiel, indem sie die Fähigkeit thermoelektrischer Generatoren, Abwärme in Strom umzuwandeln, erheblich verbessert.“

Thermoelektrische Generatoren sind eine vielversprechende Technologie zur Abwärmerückgewinnung, auch weil sie einfach zu bedienen und zu warten sind. Ein leistungsstarker thermoelektrischer Generator könnte einen erheblichen Teil der Abwärme eines Kraftwerks einfangen.

Aber „für die meisten Anwendungen ist die thermoelektrische Technologie zu ineffizient, um wirtschaftlich zu sein“, sagte Song. „Die mangelnde Effektivität der Thermoelektrik bei der Energieumwandlung behindert die Entwicklung thermoelektrischer Geräte erheblich, obwohl sie dringend benötigt werden.“

Ihr Labor löste dieses Problem mithilfe von Nanostrukturtechnik – durch Manipulation der Kristallstruktur der Keramik auf atomarer Ebene, die nur mit einem Elektronenmikroskop sichtbar ist – um ein dichtes, strukturiertes polykristallines Material zu schaffen, das die derzeit üblichen Einkristallmaterialien übertrifft.

Obwohl die Optimierung der Leistung verschiedener Materialien für die Thermoelektrik seit Jahrzehnten zu intensiver theoretischer und experimenteller Arbeit geführt hat, glaubt Song, dass ihr Labor für Massenoxidkeramiken das erste ist, das eine signifikante Steigerung der Effizienz der Energieerzeugung aus Wärme durch Nano- und Nanotechnologie demonstriert Konstruktion von Korngrenzen zwischen Kristallen auf atomarer Ebene.

„Diese Arbeit steht an der Schwelle zur groß angelegten Hochtemperatur-Abwärmerückgewinnung“, sagte sie. „Es läutet eine neue Ära für Oxidkeramiken ein und steht im Einklang mit der Industrial Heat Shot-Initiative des US-Energieministeriums zur Entwicklung kostenwettbewerbsfähiger industrieller Wärmedekarbonisierungstechnologien mit mindestens 85 % geringeren Treibhausgasemissionen bis 2035. Unsere Erkenntnisse könnten Materialien erleichtern und beschleunigen.“ Design, das um Größenordnungen über dem aktuellen Stand der Technik liegt.“

-WVU-

14.03.23

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