Chia sẻ Vật liệu nhiệt-điện trong thời đại hiện nay .

Author
Chào các bạn, t là một sinh viên bách khoa mới ra trường được hai tháng, hôm nay t muốn chia sẻ một chủ đề thú vị và cũng chính là đồ án tốt nghiệp của t, rất mong đây là một chủ đề hữu ích và có thêm ý kiến đóng góp của mọi người để biết đâu một ngày không xa chúng ta có thể biến các cuộc thảo luận này ra thực tiễn và chế tạo được loại vật liệu mới có ích cho con người.
1. Thực trang ô nhiễm môi trường
Ô nhiễm môi trường cùng với đó là sự nóng lên toàn cầu đang là vấn đề nhức nhối mà con người đã và đang phải đối mặt. Bên cạnh đó, việc khai thác quá mức các nguồn năng lượng tự nhiên như than đá, dầu mỏ, hóa thạch cũng làm cho các nguồn năng lượng này ngày càng cạn kiệt và có nguy cơ không thể hồi phục. Theo ước tính, có khoảng 60%[1] nguồn năng lượng con người sử dung bị thất thoát dưới dạng nhiệt năng, dạng năng lượng đó gọi là nhiệt thải. Vậy có cách nào để thu hồi lượng nhiệt thải này và sử dụng nó để biến thành năng lượng phục vụ con người?

Hình 1: Các nguồn nhiệt bị lãng phí [2]
2. Vật liệu nhiệt-điện là gì?
Vật liệu nhiệt-điện là vật liệu chuyển hóa từ nhiệt năng thành điện năng, hoạt động dựa theo hiệu ứng Seebeck. Hiệu ứng Seebeck được nhà khoa học mang tên Seebeck phát hiện vào năm 1821. Ông nhận thấy rằng kim nam châm bị chệch hướng khi đặt giữa hai vật liệu khác nhau được hàn với nhau và có sự chênh lêch nhiệt độ giữa 2 đầu mối hàn đó. Điều đó chứng tỏ có dòng điện chạy qua giữa 2 đầu mối hàn. Và sau này người ta chứng minh đươc rằng có sự xuất hiện điện thế khi có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai đầu của một loại vật liệu hoặc hai loại vật liệu khác nhau hàn với nhau. Từ đó vật liệu nhiệt-điện bắt đầu được nghiên cứu ra đời và có những ứng dụng cực kỳ hữu ích của nó.
1600965285494.png
Hình 2: Hiệu ứng Seebeck [3]
3. Ứng dụng của vật liệu nhiêt-điện:
- Trong công nghiệp: Vật liệu nhiệt-điện được gắn tại các nhà máy luyện kim, nhà máy thép, trung tâm xử lý dữ liệu nhằm tận dụng lượng nhiệt thải vô cùng lớn tại những nơi này chuyển hóa thành điện năng phục vụ lại chính trong các nhà máy hay khu công nghiệp đó.
- Trong giao thông vận tải: Vật liệu nhiệt-điện được dùng để gắn tại má phanh hay tại các động cơ , nơi có nguồn nhiệt lớn, sau đó tận dụng nguồn nhiệt này làm điện cung cấp cho ắc quy trong xe hoặc tạo ra 1 tủ lạnh nhỏ trên xe nhờ hiệu ứng ngược của Hiệu ứng Seebeck
- Trong hàng không vũ trụ: Vật liệu nhiệt-điện được gắn trên các con tàu vũ trụ đưa ra bên ngoài không gian nhằm cung cấp điện năng cho chính những con tàu đó trong thời gian hoạt động lâu dài bên ngoài trái đất.
4. Ưu nhược điểm của vật liệu nhiệt-điện:
- Ưu điểm: nhỏ, gọn, dễ chế tạo, không tạo ra tiếng ồn khi hoạt động do không có động cơ, không độc hại với môi trường và con người, thời gian hoạt động lâu dài..
- Nhược điểm: Giá thành còn cao, hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng còn hạn chế...
5. Vật liệu nhiệt-điện CZTS (Cu2ZnSnS4)
Đã có rất nhiều loại vật liệu nhiệt-điện được nghiên cứu và chế tạo từ trước đến này, tiêu biểu là các loại vật liệu được làm từ Bismut, Teluren... với hiệu năng chuyển hóa nhiệt-điện cao, tuy nhiên nhược điểm của nó là giá thành cao do vật liệu sử dụng đều là các kim loại hiếm và có trữ lượng ít, rải rác trên Trái Đất, bên cạnh đó các vật liệu này đều độc hại đối với môi trường và con người. Vì vậy, việc tìm ra một loại vật liệu có hiệu năng chuyển hóa tốt và thân thiện với môi trương,dễ tìm kiếm là điều cấp bách hiện nay, và vật liệu nhiệt-điện CZTS đáp ứng đầy đủ các điều kiện đặt ra.
Trong đồ án của mình, tôi chế tạo vật liệu Cu2ZnSnS4 (CZTS) ứng dụng làm vật liệu nhiệt-điện bằng phương pháp hợp kim hóa cơ học. Để nâng cao khả năng chuyển hóa nhiệt năng thành điện năng, cấu trúc của vật liệu Cu2ZnSnS4 được làm biến dạng bằng cách làm khuyết một số vị trí của đồng trong mạng tinh thể với công thức là Cu2-xZnSnS4 (x= 0,1-0,3).
Nguyên liệu ban đầu gồm các bột Cu, Sn, Zn, S có độ sạch cao lên đến 99,5%. Hỗn hợp bột được nghiền trong máy nghiền hành tinh với thời gian nghiền là 16 h trong môi trường khí Ar. Mẫu sau khi nghiền được đưa đi xử lý nhiệt ở 450 oC trong 24 h với tốc độ nâng nhiệt 10 oC/ phút. Mẫu sau khi xử lý nhiệt được mang đi thiêu kết bằng phương pháp thiêu kết xung điện Plasma (SPS) ở nhiệt độ 600 oC với áp suất 106 MPa trong thời gian 15 phút. Các mẫu sau khi nghiền và xử lý nhiệt được kiểm tra sự hình thành và chuyển biến pha bằng phương pháp X-ray (XRD). Riêng đối với mẫu sau khi xử lý nhiệt còn được kiểm tra tổ chức tế vi và thành phần hóa học bằng phương pháp hiển vi điện tử quét (SEM) và phương pháp nhiễu xạ tia X phân tán năng lượng ̣̣(EDX). Mẫu sau thiêu kết được đo tỷ trọng và đo độ dẫn nhiệt.
Sau khi nghiền, kết quả XRD cho thấy đã có sự xuất hiện các peak của Cu2ZnSnS4 tuy nhiên vẫn còn tồn tại các peak XRD rất nhỏ của Zn trong hỗn hợp. Kết quả XRD sau khi xử lý nhiệt cho thấy các peak của các nguyên tố ban đầu đã biến mất hoàn toàn và chỉ còn xuất hiện các peak của Cu2ZnSnS4. Kết quả phân tích kích thước hạt sau nghiền cho thấy phần lớn các hạt bột đạt kích thước nano. Kết quả SEM sau nghiền tại các độ phóng đại khác nhau cho thấy các hạt bột phân bố đồng đều và có sự kết tụ ở một số vùng trong mẫu. Kết quả chụp EDX cho chúng thấy thành phần hóa học của các mẫu gần đúng với lý thuyết. Độ dẫn nhiệt sau thiêu kết cho thấy sự giảm dần khi nhiệt độ tăng và đạt đến kết quả nhỏ nhất k = 0,9 W/mK tại 680 oK.
Trên đây là một số trình bày của e về vật liệu nhiệt-điện, rất mong sự đóng góp và chia sẻ của mọi người đẻ chúng ta có thể nâng cao hiệu suất cũng như có các loại vật liệu thiết thực trong tương lai.
Reference:
[1] W. H. A. Basel I. Ismail, [1] Thermoelectric Power Generation Using Waste-Heat Energy as an Alternative Green Technology.
[2] S. N. A. K.Zebs, Aservey on weast heat recovery : Electricpower generation and potential prospects within Pakistan..
[3] b. h. o. t. C. P. B. R. F. Rowe D.M, 1995.
 

Đặt mua Tài liệu Thiết kế & Phát triển sản phẩm với giá ưu đãi

Last edited:

ndpdpu

New Member
Bạn có thể cho tôi biết vật liệu nhiệt-điện có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ nào không, và hiệu quả của nó đạt được tốt nhất ở khoảng nào?
 
Author
Bạn có thể cho tôi biết vật liệu nhiệt-điện có thể làm việc ở khoảng nhiệt độ nào không, và hiệu quả của nó đạt được tốt nhất ở khoảng nào?
Chào bạn, câu hỏi rất hay.
Vật liệu mình chế tạo có nhiệt độ nóng chảy cao,nên nó có thể dùng ở các khoảng nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nc của nó.
Thông thường vật liệu nhiệt-điện làm việc ở 3 khoảng nhiệt độ : nhiệt độ thấp 150-200°C, nhiệt độ trung bình 250-450°C, nhiệt độ cao 500-750°C , nếu chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì công suất làm việc của vật liệu càng cao bạn nhé
 
Top