Het ontsluiten van de geheimen van thermo-elektrische materialen voor toekomstige energie

Thermoelektrische materialen, oorspronkelijk voornamelijk gericht op het omzetten van restwarmte in elektriciteit, vergemakkelijken nu katalytische processen en bieden innovatieve oplossingen voor energie-efficiëntie en milieubescherming.

Thermoelektrische materialen, cruciaal voor het omzetten van thermische tot elektrische energie en het verminderen van afval, hebben hun bruikbaarheid uitgebreid voorbij warmteterugwinning tot katalyse, aangestuurd door natuurlijke en industriële warmtegradiënten.

Met de snelle ontwikkeling van de menselijke samenleving, heeft de vraag naar energie een explosieve groei doorgemaakt. Echter, in het huidige stadium, is de efficiëntie van primair energieverbruik minder dan 40%, met het restant verloren in de vorm van restwarmte, wat leidt tot ernstige energieverspilling en verergering van milieuproblemen.

Thermoelektrische materialen, als een nieuw energiemateriaal dat in staat is om direct thermische energie om te zetten in elektrische energie, hebben toenemende aandacht gekregen in het veld van restwarmteterugwinning. Wanneer er een temperatuurverschil is aan de twee uiteinden van thermoelektrische materialen, wordt er een thermoelektromotorische kracht gegenereerd in het materiaal, waardoor de omzetting van thermische energie naar elektrische energie wordt bereikt.

Naast gebruik als elektrische generatoren, hebben thermoelektrische materialen nieuwe richtingen geopend voor katalyse de afgelopen jaren. De kleine temperatuurgradiënt (<100 °C) veroorzaakt door de wijdverspreide warmte in de natuur en industriële productie biedt voldoende drijvende kracht voor katalytische reacties.

Dit maakt het hergebruik van laagwaardige restwarmtebronnen om verschillende katalyseprocessen zoals waterstofproductie, organische synthese, milieuzuivering en biomedische toepassingen aan te drijven. Het biedt een nieuwe oplossing voor het verbeteren van de energiebenuttingsefficiëntie, energiebesparing, uitstootvermindering en groene katalyse.

Werkwijzen van TECatal-systemen: (a) hybride structuurmodus, (b) enkelfasemodus, (c) P-N nanoaansluitmodus, en (d) thermogalvanische celmodus. Potentiële toepassingen van TECatal-materialen in (e) H2-productie en CO2-reductie, (f) tumortherapie, (g) behandeling van voertuiguitlaatgassen, en (h) raamglascoating voor binnenluchtreiniging. Credit: Science China Press

Gebaseerd op de recente vorderingen in dit opkomende gebied, heeft het team van het Instituut voor Quantum en Duurzame Technologie aan de Jiangsu-universiteit, de conceptuele toepassingsrichting van thermoelektrolyse (TECatal) voorgesteld en bestaande thermoelektrische katalytische materialen en werkwijzen systematisch samengevat. Er werden vier belangrijke werkwijzen gesuggereerd, waaronder hybride structuurmodus, enkelfasemodus, P-N nanoaansluitmodus en thermogalvanische celmodus.

De studie onderzoekt manieren om de prestaties van thermoelektrische katalytische materialen te verbeteren door optimalisatie van thermoelektrische eigenschappen, bandengineering, microstructuren en stabiliteit. Bovendien werden de vooruitzichten van thermoelektrische katalytische materialen op gebieden zoals groene energie, tumoren behandeling en milieubeheer voorgesteld en besproken, waardoor belangrijke referenties voor de toekomstige ontwikkeling van dit veld worden geboden.

Referentie: "Thermoelectrocatalysis: an emerging strategy for converting waste heat into chemical energy" van Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu en Federico Rosei, 25 januari 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036