Odkrywanie sekretów materiałów termoelektrycznych na potrzeby przyszłej energii

Materiały termoelektryczne, które pierwotnie skupiały się na przekształcaniu odpadowego ciepła w energię elektryczną, teraz ułatwiają procesy katalizy, oferując innowacyjne rozwiązania dla efektywności energetycznej i ulepszeń środowiskowych.

Materiały termoelektryczne, niezbędne do przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną i redukcji odpadów, poszerzyły swoje zastosowanie poza odzyskiwanie ciepła na katalizę, napędzaną naturalnymi i przemysłowymi gradientami ciepła.

Wraz z szybkim rozwojem społeczeństwa ludzkiego, zapotrzebowanie na energię doświadczyło eksplozyjnego wzrostu. Jednak na obecnym etapie, efektywność wykorzystania pierwotnej energii wynosi mniej niż 40%, a reszta jest tracona w postaci odpadowego ciepła, prowadząc do poważnego marnowania energii i pogarszania problemów środowiskowych.

Materiały termoelektryczne, jako nowy materiał energetyczny zdolny do bezpośredniego przekształcania energii cieplnej w energię elektryczną, zyskały coraz większe zainteresowanie w dziedzinie odzyskiwania odpadowego ciepła. Gdy na dwóch końcach materiałów termoelektrycznych występuje różnica temperatur, w materiale generowana jest siła termoelektromotoryczna, co umożliwia przekształcenie energii cieplnej w energię elektryczną.

Oprócz wykorzystywania jako generatory elektryczne, materiały termoelektryczne otworzyły w ostatnich latach nowe kierunki dla katalizy. Mały gradient temperatury (<100 °C) powodowany powszechnym ciepłem w przyrodzie i produkcji przemysłowej dostarcza wystarczającą siłę napędową dla reakcji katalicznych.

Umożliwia to ponowne wykorzystanie zasobów niskogatunkowego odpadowego ciepła do napędzania różnych procesów katalizy, takich jak produkcja wodoru, synteza organiczna, oczyszczanie środowiska i zastosowania biomedyczne. Oferuje to nowe rozwiązanie dla poprawy efektywności wykorzystania energii, oszczędzania energii, redukcji emisji i zielonej katalizy.

Sposoby działania systemów TECatal: (a) tryb struktury hybrydowej, (b) tryb jednofazowy, (c) tryb nanozłącza P-N, i (d) tryb ogniwa termogalwanicznego. Potencjalne zastosowania materiałów TECatal w (e) produkcji H2 i redukcji CO2, (f) terapii nowotworowej, (g) oczyszczaniu spalin pojazdów, i (h) powłokach szklanych okien do oczyszczania powietrza w pomieszczeniach. Autorem zdjęcia jest Science China Press

W oparciu o niedawne postępy w tej nowej dziedzinie, zespół z Instytutu Technologii Kwantowej i Zrównoważonej na Uniwersytecie Jiangsu, zaproponował kierunek koncepcyjnego zastosowania termoelektrokatalityki (TECatal) i systematycznie podsumował istniejące materiały katalizatorów termoelektrycznych i tryby pracy. Zaproponowano cztery główne tryby pracy, w tym tryb struktury hybrydowej, tryb jednofazowy, tryb nanozłącza P-N i tryb ogniwa termogalwanicznego.

Badanie szuka sposobów na poprawę wydajności materiałów katalizatorów termoelektrycznych przez optymalizację właściwości termoelektrycznych, inżynierię pasm, mikrostruktur i stabilności. Ponadto, zaproponowano i omówiono perspektywy materiałów katalizatorów termoelektrycznych w obszarach takich jak zielona energia, leczenie nowotworów i zarządzanie środowiskiem, dostarczając istotne wskazówki dla przyszłego rozwoju tej dziedziny.

Odniesienie: “Termoelektrokatalityka: powstająca strategia przekształcania odpadowego ciepła w energię chemiczną” autorstwa Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu i Federico Rosei, 25 stycznia 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036