Warmte efficiënter omgezet in elektriciteit door te sleutelen aan nanostructuur

Het artikel is 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", zegt Dutta, "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. Dey: "In de simulaties zagen we dat de positie van die atomen erg belangrijk is voor de prestaties van het materiaal. 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 energieslurpende vormingsproces worden overgeslagen, terwijl het elektro-thermische materiaal uiteindelijk efficiënter wordt."