Đó là selenua thiếc tinh khiết ở dạng đa tinh thể, nó vượt trội hơn dạng đơn tinh thể trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện và trở thành hệ thống nhiệt điện hiệu quả nhất được ghi nhận.
Trong nghiên cứu mới, các nhà nghiên cứu Mỹ và Hàn Quốc có thể đạt được tỷ lệ chuyển đổi cao sau khi xác định và loại bỏ yếu tố oxy hóa đã làm giảm hiệu suất trong các nghiên cứu trước đó. Selenua thiếc đa tinh thể có thể được phát triển để dùng trong các thiết bị nhiệt điện thể rắn ở nhiều ngành công nghiệp với khả năng tiết kiệm năng lượng rất lớn.
Mục tiêu chính của ứng dụng là thu nhiệt thải công nghiệp như từ các nhà máy điện, nhà máy ô tô và các nhà máy sản xuất gạch và kính rồi chuyển nó thành điện năng. Hơn 65% năng lượng được tạo ra từ nhiên liệu hóa thạch trên toàn cầu đã bị thất thoát dưới dạng nhiệt thải.
“Các thiết bị nhiệt điện đang được sử dụng, nhưng chỉ trong các ứng dụng thích hợp, chẳng hạn như trong tàu thám hiểm sao Hỏa” – nhà hóa học chuyên về thiết kế các vật liệu mới Mercouri Kanatzidis của Đại học Northwestern cho biết – “Những thiết bị này chưa thành công như pin Mặt trời và còn có những thách thức đáng kể trong việc tạo ra những thiết bị tốt.
Chúng tôi đang tập trung vào việc phát triển một loại vật liệu có giá thành thấp và hiệu suất cao, đồng thời thúc đẩy ứng dụng rộng rãi các thiết bị nhiệt điện”.
Điều gì đó đã xảy ra
Selenua thiếc tinh khiết được thể hiện ở dạng viên, vật liệu này có hiệu suất nhiệt điện cực cao.
Giáo sư Kanatzidis cho biết, các thiết bị nhiệt điện đã được xác định rõ ràng, nhưng điều làm chúng hoạt động tốt hay không là do vật liệu bên trong. Vật liệu cần có độ dẫn nhiệt cực thấp trong khi vẫn giữ được tính dẫn điện tốt để chuyển hóa nhiệt thải hiệu quả.
Bởi vì nguồn nhiệt có thể cao tới 400 - 500 độ C, vật liệu cần phải ổn định ở nhiệt độ rất cao. Những thách thức này và những trở ngại khác khiến các thiết bị nhiệt điện khó sản xuất hơn pin Mặt trời.
Năm 2014, Giáo sư Kanatzidis và nhóm của ông đã báo cáo việc phát hiện ra một vật liệu đáng ngạc nhiên và tốt nhất thế giới trong việc chuyển nhiệt thải thành điện năng hữu ích. Đó là dạng đơn tinh thể của hợp chất hóa học thiếc selenua. Mặc dù đây là một khám phá quan trọng nhưng việc sản xuất hàng loạt dạng đơn tinh thể là không thực tế vì nó dễ vỡ và bong tróc.
Do cần có thiếc selenua ở dạng đa tinh thể, cứng hơn, có thể cắt được và tạo hình cho các ứng dụng, các nhà nghiên cứu đã chuyển sang nghiên cứu vật liệu này. Thật ngạc nhiên, họ nhận thấy, độ dẫn nhiệt của vật liệu này rất cao, không phải là mức thấp như ở dạng đơn tinh thể.
“Chúng tôi nhận ra điều gì đó kỳ quặc đang xảy ra” – Giáo sư Kanatzidis nói – “Kỳ vọng là thiếc selenua ở dạng đa tinh thể sẽ không có độ dẫn nhiệt cao nhưng nó lại như vậy. Chúng tôi đã gặp phải một vấn đề”.
Khi kiểm tra kỹ hơn, các nhà nghiên cứu phát hiện ra 1 lớp thiếc bị oxy hóa trên vật liệu này. Nhiệt truyền qua lớp dẫn điện này, làm tăng độ dẫn nhiệt – một điều không mong muốn trong thiết bị nhiệt điện.
Cánh cửa mới mở ra
Sau khi xem xét quá trình oxy hóa, nhóm nghiên cứu Hàn Quốc đã tìm ra cách để loại bỏ oxy. Tiếp theo họ có thể sản xuất viên thiếc selenua không có oxy rồi tiến hành thử nghiệm.
Độ dẫn nhiệt thực sự của dạng đa tinh thể đã được đo và các nhà nghiên cứu thấy nó thấp hơn như dự đoán ban đầu. Hiệu suất với vai trò là một thiết bị nhiệt điện, chuyển nhiệt thành điện vượt quá hiệu suất của dạng đơn tinh thể, khiến nó có hiệu suất cao nhất từng được ghi nhận.
Hiệu quả của quá trình chuyển hóa nhiệt thải trong nhiệt điện được phản ánh bằng con số được gọi là ZT. Con số này càng cao, tỷ lệ chuyển đổi càng tốt. ZT của selenua thiếc đơn tinh thể trước đó được tìm thấy là xấp xỉ 2,2 đến 2,6 ở 640 độ C.
Trong nghiên cứu mới này, các nhà nghiên cứu đã tìm thấy selenua thiếc tinh khiết ở dạng đa tinh thể có ZT xấp xỉ 3,1 ở 510 độ C. Độ dẫn nhiệt của nó cực thấp, thấp hơn so với các đơn tinh thể.
Giáo sư Kanatzidis cho biết: “Điều này mở ra cánh cửa cho các thiết bị mới được chế tạo từ các viên selenua thiếc đa tinh thể và các ứng dụng của chúng sẽ được khám phá.
Trường Đại học Northwestern sở hữu tài sản trí tuệ đối với vật liệu selenua thiếc. Các lĩnh vực tiềm năng sử dụng vật liệu nhiệt điện bao gồm công nghiệp ô tô (một lượng đáng kể năng lượng tiềm tàng của xăng đi ra khỏi ống xả của xe), các ngành sản xuất nặng (như thủy tinh và sản xuất gạch, nhà máy lọc dầu, nhà máy nhiệt điện than và khí) và những nơi có động cơ đốt lớn hoạt động liên tục (như trong những con tàu hàng lớn và tàu chở dầu).
