Enthüllen der Geheimnisse von thermoelektrischen Materialien für zukünftige Energie

Thermoelektrische Materialien, die ursprünglich hauptsächlich darauf ausgerichtet waren, Abwärme in Strom umzuwandeln, erleichtern nun katalytische Prozesse und bieten innovative Lösungen für Energieeffizienz und Umweltverbesserungen.

Thermoelektrische Materialien, die entscheidend für die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie und die Reduzierung von Abfällen sind, haben ihre Nützlichkeit über die Wärmerückgewinnung hinaus auf Katalyse erweitert, angetrieben durch natürliche und industrielle Wärmegradienten.

Mit der schnellen Entwicklung der menschlichen Gesellschaft hat die Nachfrage nach Energie einen explosiven Wachstum erlebt. Derzeit liegt jedoch die Nutzungseffizienz der Primärenergie unter 40%, der Rest geht in Form von Abwärme verloren, was zu ernsthafter Energieverschwendung führt und Umweltprobleme verschärft.

Thermoelektrische Materialien, als ein neues Energiematerial, das in der Lage ist, thermische Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, haben in der Abfallwärmerückgewinnung zunehmend Aufmerksamkeit erregt. Wenn an den beiden Enden von thermoelektrischen Materialien ein Temperaturunterschied besteht, wird innerhalb des Materials eine thermoelektrische Kraft erzeugt, wodurch die Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie erreicht wird.

Neben der Nutzung als Elektrogeneratoren haben thermoelektrische Materialien in den letzten Jahren neue Richtungen für die Katalyse eröffnet. Der geringe Temperaturgradient (<100 °C), der durch die in der Natur und in der industriellen Produktion weit verbreitete Abwärme verursacht wird, bietet ausreichende Antriebskraft für katalytische Reaktionen.

Dies ermöglicht die Wiederverwendung von Abwärme-Ressourcen, um verschiedene Katalyseprozesse wie Wasserstoffproduktion, organische Synthese, Umweltreinigung und biomedizinische Anwendungen anzutreiben. Es bietet eine neue Lösung zur Verbesserung der Energieverwertungseffizienz, Energieeinsparung, Emissionsreduzierung und grünen Katalyse.

Arbeitsmodi der TECatal-Systeme: (a) Hybridstrukturmodus, (b) Einstufenmodus, (c) P-N-Nanoübergangsmodus und (d) Thermogalvanischer Zellenmodus. Potenzielle Anwendungen von TECatal-Materialien in (e) H2-Produktion und CO2-Reduktion, (f) Tumortherapie, (g) Behandlung von Fahrzeugabgasen und (h) Fensterglasschichtung zur Innenluftreinigung. Credit: Science China Press

Basierend auf den jüngsten Fortschritten in diesem aufkommenden Bereich hat das Team des Instituts für Quanten- und Nachhaltigkeitstechnologie an der Universität Jiangsu die konzeptionelle Anwendungsrichtung der Thermoelektrokatalyse (TECatal) vorgeschlagen und bestehende thermoelektrische katalytische Materialien und Arbeitsmodi systematisch zusammengefasst. Vier Hauptarbeitsmodi wurden vorgeschlagen, darunter Hybridstrukturmodus, Einstufenmodus, P-N-Nanoübergangsmodus und Thermogalvanischer Zellenmodus.

Die Studie untersucht Möglichkeiten zur Verbesserung der Leistung von thermoelektrischen katalytischen Materialien durch Optimierung von thermoelektrischen Eigenschaften, Bandtechnik, Mikrostrukturen und Stabilität. Darüber hinaus wurden die Aussichten von thermoelektrischen katalytischen Materialien in Bereichen wie grüne Energie, Tumorbehandlung und Umweltsteuerung vorgeschlagen und diskutiert und wichtige Referenzen für die zukünftige Entwicklung dieses Bereichs bereitgestellt.

Referenz: „Thermoelectrocatalysis: Eine aufkommende Strategie zur Umwandlung von Abwärme in chemische Energie“ von Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu und Federico Rosei, 25. Januar 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036