خواص ترموالکتریکی عالی آلیاژ α-MgAgSb برای تولید انرژی الکتریکی
High thermoelectric performance of α-MgAgSb for power generation (18 Oct 2017)
سازمان بینالمللی انرژی (IEA) پیشبینی کرده است که درخواست انرژی در سال 2040 به میزان 37% افزایش خواهد یافت. توافق پاریس نیز در مورد تغییرات آب و هوایی که تلاش دارد میانگین تغییرات دمایی را ثابت و کمتر از 2 کلوین حفظ کند، در نوامبر 2016 اجرایی شده است. در رابطه با افزایش شتاب مصرف انرژی و فشار بالا در مورد کاهش انتشار گازهای گلخانهای، استفادۀ موثر از انرژی پاک و تجدیدپذیر توجه بالایی را جلب کرده است که این منابع شامل باد، انرژی خورشید، انرژی آبی، و بایوسوخت میشود. در این حال، بیش از نیمی از (66.4%) از انرژی در سراسر ایالات متحده، در سال 2013 از طریق منابع مختلف حرارتی به اتلاف رسیده است. تولید انرژی ترموالکتریکی، بر اساس اثر سیبک (Seebeck Effect) میتواند به صورت مستقیم حرارت اتلافی را به الکتریسیته تبدیل کند و در نتیجه میتواند نقشی حیاتی در جمعآوری انرژی داشته باشد. به عبارت ساده، در ادوات ترموالکتریکی در اثر اختلاف دما بین دو سوی دستگاه، اختلاف پتانسیلی تشکیل میگردد که میتوان از آن بهره برد و برق تولید کرد. ژنراتورهای ترموالکتریکی خورشیدی (STEG) نیز ادواتی جذاب برای تبدیل انرژی خورشیدی به الکتریسیته هستند که اخیراً نیز به بازدهی سیستمی بالایی (7.4%) رسیدهاند. از جمله مزایای اداوات ترموالکتریک میتوان به عدم آلودگی، نداشتن قطعات جابجا شونده، وزن سبک، اطمینانپذیری بالا و سادگی اشاره کرد که موجب شدهاند NASA در عمده ماموریتهای دشوار خود از از ادوات ترموالکتریکی از نوع ژنراتور ترموالکتریکی رادیوایزوتوپ (RTG) برای تولید الکتریسیته بهره ببرد. اما هنوز هم بازدهی این نوع ادوات برای کاربردهای گستردهتر، بسیار پایین است.
در یکی از مهمترین مقالات اخیر، به اصطلاح HOT paper، در این زمینه، محققین دانشگاه هیوستون ایالات متحده، از آلیاژهای پایه α-MgAgSb برای تولید انرژی از طریق خواص ترموالکتریکی استفاده کردهاند. این آلیاژها که اخیراً به محبوبیت بالایی رسیدهاند، نیمهرسانای نوع-p محسوب میشوند و گزینهای عالی برای کاربردهای دما پایین (بین دمای اتاق تا 550 کلوین) به شمار میروند. برای این آلیاژ، رقم شایستگی (Figure of merit) برابر با 1.4-.1.2 در 550 کلوین بدست آمده است و بازدهی تبدیل انرژی بسیار بالایی نیز به همراه داشتهاند که رکوردی در این زمینه محسوب میشود. در اختلاف دمای سمت سرد- سمت گرم برابر با 225 کلوین، بازدهی تبدیل تقریبا 8.5% برای دستگاه ترموالکتریکی ساخته شده از این آلیاژ بدست آمده است. یکی از چالشهایی که در این پژوهش مورد بررسی قرار گرفته است، تولید یکنواخت فاز خالص α آلیاژ MgAgSb است. به این منظور، از یک روش دو مرحلهای آسیاکاری گلولهای همراه با فرایند فشار-گرم استفاده شده است که ترکیب MgAgSb را به MgAg0.97Sb0.99 تبدیل کرده و سپس بدون فازهای ناخالصی قابل تشخیص در XRD، آلیاژ نانوساختار α-MgAgSb تولید نمودهاند.
این دست کارهای پژوهشی از اهمیت چشمگیری برخوردار هستند که موجب شده است افزایش بازدهی آنها، با استقبال بالایی از سوی صنعت و جامعه آکادمیک همراه گردد. این تحقیق مهم نیز در مجله بسیار معتبر Energy & Environmental Science با ضریب تاثیر 30.067 به انتشار رسیده است که بیانگر اهمیت آن میباشد.
DOI: 10.1039/C7EE02504A
گروه علمی و پژوهشی مهندسی و علم مواد (MatRes)