판도를 바꾸는 고성능 반도체 재료로 열 방출을 줄일 수 있습니다.

[아름이]

판도를 바꾸는 고성능 반도체 재료로 열 방출을 줄일 수 있습니다.
날짜:
2023년 3월 14일
원천:
웨스트 버지니아 대학교
요약:
연구원들은 열 발전소가 대기로 방출하는 양을 극적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가진 물질을 설계했습니다.

전체 이야기
웨스트버지니아 대학의 연구원들은 열 발전소가 대기로 방출하는 양을 극적으로 줄일 수 있는 잠재력을 가진 물질을 설계했습니다.

Benjamin M. Statler 공학 및 광물 자원 대학의 교수이자 George B. Berry 공학 학과장인 Xueyan Song이 이끄는 팀은 열전 발전기를 괴롭히는 오랜 효율성 문제를 해결하는 산화물 세라믹 재료를 만들었습니다. 이러한 장치는 지구 온난화에 기여하는 발전소 열 방출을 포함하여 열에서 전기를 생성할 수 있습니다.

그녀는 획기적인 산화물 세라믹 송의 팀이 생산한 "불가능하다고 여겨졌던 기록적인 높은 성능을 달성했다"고 말했다. "우리는 지난 20년 동안 전 세계적으로 현장에서 보고된 최고의 열전 산화물 세라믹을 시연했으며 그 결과는 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 새로운 연구 방향을 열어줍니다."

Cesar Octavio Romo de la Cruz, Yun Chen, Liang Liang 및 Sergio A. Paredes Navia는 National Science Foundation 기금에서 $639,784의 지원을 받아 연구에 기여했습니다. 결과는 재생 가능하고 지속 가능한 에너지 리뷰에 나타납니다.

산화물 세라믹은 도자기, 도자기, 점토 벽돌, 시멘트 및 실리콘과 같은 재료와 같은 계열이지만 다양한 금속 원소를 포함합니다. 단단하고 열과 부식에 강하며 공기 중의 고온 응용 분야에 매우 적합합니다. 그들은 열전 발전기 구성 요소의 재료 역할을 할 수 있습니다.

그러나 산화물 세라믹은 여러 개의 연결된 결정으로 구성된 "다결정" 구조를 가지고 있습니다. 결정이 만나는 곳인 "입자 경계"가 열전 발전기에 전력을 공급하는 전류 및 전자 흐름을 차단하기 때문에 엔지니어는 이러한 물질에 대한 대규모 열전 응용 프로그램에 문제가 있습니다.

송 교수팀은 그 걸림돌을 디딤돌로 바꿨다.

"우리는 의도적으로 '도펀트' 또는 금속 이온을 다결정 세라믹에 추가하여 특수한 종류의 도펀트를 입자 경계로 분리하도록 유도했습니다."라고 박사후 연구원 Romo de la Cruz가 말했습니다. "그것이 우리가 피할 수 없고 해로운 입자 경계를 전기 전도성 경로로 전환하여 열전 성능을 크게 향상시키는 방법입니다."

이 연구는 기후 변화의 원인이자 연료를 전력으로 변환하는 대부분의 작업에서 발생하는 부산물인 폐열 문제의 증가에 대응합니다. 전구를 만졌을 때 뜨거워지면 폐열을 방출합니다. 즉, 빛을 생성하는 주요 작업에 기여하지 않는 비효율적인 추가 에너지입니다. 폐열은 발전소, 가정 난방 시스템 및 자동차와 같은 다양한 시스템에 의해 대기 중으로 방출되며, 이를 회수하는 시스템의 세계 시장이 2026년까지 700억 달러를 초과할 것으로 예상될 정도로 충분히 방출됩니다.

Romo de la Cruz는 "열은 음식에서 금속 및 전기에 이르기까지 거의 모든 것을 만드는 데 사용됩니다."라고 설명했습니다. "그러나 이러한 과정에서 생산된 에너지의 약 60%가 비생산적으로 열의 형태로 환경에 방출됩니다. 폐열 회수는 증가하는 전기 수요와 산업 공정의 탄소 발자국 간의 균형을 맞추는 데 점점 더 중요한 역할을 할 것입니다. 열전기 산화물 우리와 같은 세라믹은 폐열을 전기로 변환하는 열전 발전기의 능력을 크게 개선함으로써 역할을 합니다."

열전 발전기는 작동 및 유지 관리가 간단하기 때문에 부분적으로 폐열 회수를 위한 유망한 기술입니다. 강력한 열전 발전기는 발전소 폐열의 상당 부분을 포착할 수 있습니다.

그러나 "대부분의 응용 분야에서 열전 기술은 경제적이기에는 너무 비효율적입니다."라고 Song은 말했습니다. "에너지를 변환하는 열전기의 효율성 부족은 절실히 필요함에도 불구하고 열전기 장치의 개발을 심각하게 방해합니다."

그녀의 연구실은 전자현미경을 통해서만 볼 수 있는 원자 규모로 세라믹의 결정 구조를 조작하는 나노구조 공학을 사용하여 이 문제를 해결하여 현재 표준인 단결정 재료를 능가하는 조밀하고 질감이 있는 다결정 재료를 만들었습니다.

열전을 위한 다양한 재료의 성능을 조정하는 것이 수십 년 동안 강렬한 이론 및 실험 작업을 자극했지만 Song은 벌크 산화물 세라믹의 경우 그녀의 연구실이 나노 및 결정 사이의 입자 경계의 원자 규모 엔지니어링.

"이 작업은 대규모 고온 폐열 회수를 위한 정점에 있습니다."라고 그녀는 말했습니다. "이는 산화물 세라믹의 새로운 시대로 이어지고 2035년까지 온실 가스 배출량을 최소 85% 낮추는 비용 경쟁력 있는 산업용 열 탈탄소화 기술을 개발하려는 미국 에너지부의 산업용 히트 샷(Industrial Heat Shot) 이니셔티브와 일치합니다. 우리의 발견은 재료를 촉진하고 가속화할 수 있습니다. 현재 수준보다 훨씬 더 높은 수준의 디자인을 제공합니다."

출처 : https://www.sciencedaily.com/