WVUラボのゲーム

Oct 02, 2023

WVUの研究者であるセルジオ・アンドレス・パレデス・ナヴィア氏、セサール・オクタビオ・ロモ・デ・ラ・クルス氏、リアン・リャン氏、エレナ・ゲメン氏は、電子顕微鏡を使用して、廃棄物のかなりの部分を回収するのに十分な効率の熱電発電機を作る可能性のある新しい酸化物セラミック材料のナノ構造を研究しています。発電所などの産業システムが放出する熱。 （提出された写真）

ウェストバージニア大学の研究者らは、発電所から大気中に放出される熱量を大幅に削減できる可能性のある材料を開発した。

ベンジャミン・M・スタットラー工学鉱物資源大学教授でジョージ・B・ベリー工学部長のXueyan Song氏が率いるチームは、熱電発電機を悩ませている長年の効率問題を解決する酸化物セラミック材料を開発した。 これらのデバイスは、地球温暖化の一因となる発電所の排熱などの熱から電気を生成することができます。

ソン氏のチームが生み出した画期的な酸化物セラミックは「不可能だと思われていた記録的な性能を達成した」と彼女は語った。 「私たちは、過去 20 年間に世界中のこの分野で報告された最高の熱電酸化物セラミックを実証しました。その結果は、性能をさらに向上させる可能性のある新しい研究の方向性を切り開きます。」

Cesar Octavio Romo de la Cruz、Yun Chen、Liang Liang、Sergio A. Paredes Navia は、国立科学財団の資金 639,784 ドルの支援を受けて研究に貢献しました。 この調査結果は、再生可能エネルギーと持続可能なエネルギーのレビューに掲載されています。

酸化物セラミックは、陶器、磁器、粘土レンガ、セメント、シリコンなどと同じ種類の材料ですが、さまざまな金属元素が含まれています。 硬く、熱や腐食に強く、空気中での高温用途に適しています。 熱電発電機の部品の材料として使用できます。

しかし、酸化物セラミックは複数の結晶がつながった「多結晶」構造を持っています。 これらの結晶が出会う場所である「粒界」が、熱電発電機に電力を供給する電流と電子の流れを妨げるため、エンジニアはこれらの材料の大規模な熱電アプリケーションで問題に遭遇します。

ソン氏のチームはそのつまずきを踏み台に変えた。

「私たちは意図的に『ドーパント』、つまり金属イオンを多結晶セラミックに添加し、特殊な種類のドーパントを粒界に偏析させました」と博士研究員のロモ・デ・ラ・クルス氏は語った。 「このようにして、避けられず有害な粒界を導電経路に変え、熱電性能を大幅に向上させました。」

この研究は、気候変動の一因であり、燃料を電力に変換するほとんどの操作の副産物である廃熱の増大する問題に対応するものです。 電球に触れると熱くなると、廃熱が発生します。これは、光を生み出すという本来の仕事に寄与しない非効率な余分なエネルギーです。 廃熱は、発電所、家庭用暖房システム、自動車などのさまざまなシステムによって大気中に放出され、その排出量は十分であるため、廃熱を回収するシステムの世界市場は 2026 年までに 700 億ドルを超えると予測されています。

ロモ・デ・ラ・クルス氏は、「熱は、食品から金属、電気に至るまで、ほぼすべてのものを作るために使われている」と説明した。 「しかし、これらのプロセス中に、生成されるエネルギーの約60％が非生産的に熱の形で環境に放出されます。廃熱回収は、増大する電力需要と工業プロセスの二酸化炭素排出量のバランスをとる上で、ますます重要な役割を果たすことになります。」私たちのようなセラミックは、廃熱を電気に変換する熱電発電機の能力を大幅に向上させることによって機能します。」

熱電発電機は、操作と保守が簡単であるという理由の 1 つで、廃熱回収の有望な技術です。 強力な熱電発電機があれば、発電所の廃熱のかなりの部分を回収できる可能性があります。

しかし、「大部分の用途において、熱電技術は非効率すぎて経済的ではない」とソン氏は述べた。 「エネルギー変換における熱電素子の有効性の欠如は、熱電素子が切実に必要とされているにもかかわらず、その開発を著しく妨げています。」

彼女の研究室は、電子顕微鏡を使用しないと観察できない原子スケールでセラミックの結晶構造を操作するナノ構造工学を使用してその問題を解決し、現在標準的な単結晶材料を上回る高密度でテクスチャーのある多結晶材料を作成しました。

熱電変換用のさまざまな材料の性能を調整することは、数十年にわたって熱心な理論的および実験的研究を刺激してきましたが、ソン博士は、バルク酸化物セラミックに関しては、彼女の研究室がナノおよびセラミックを介した熱からのエネルギー生成効率の大幅な向上を実証した最初の研究室であると信じています。結晶間の粒界の原子スケール工学。

「この研究は大規模な高温廃熱回収の頂点にある」と彼女は述べた。 「これは酸化物セラミックの新時代につながり、2035年までに温室効果ガス排出量を少なくとも85%削減するコスト競争力のある工業用加熱脱炭素技術を開発するという米国エネルギー省の産業用ヒートショット構想と一致しています。私たちの発見は、材料の開発を促進し、加速する可能性があります」現在の最先端技術を上回るデザインです。」

-WVU-

mm/03/14/23

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