Termoelektrik malzemeler, enerji hasadı ve soğutma uygulamalarındaki potansiyelleri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Nanoteknolojinin entegrasyonu termoelektrik performans artırılması için yeni yollar açmıştır.
Nanokompozit malzemelerin, organik termoelektrik malzemelerin ve hibrit organik termoelektrik malzemelerin kullanımı, termoelektrik değer değerinin (ZT) iyileştirilmesinde umut verici sonuçlar göstermiştir (Dresselhaus ve diğerleri, 2007; Zhang ve Park, 2019; Toshima ve diğerleri, 2015) .
Ayrıca termoelektrik jeneratörlerin üretiminde nanoteknolojinin kullanılması esnek ve giyilebilir enerji toplama cihazlarının geliştirilmesine yol açmıştır (Hong ve diğerleri, 2015; Liu ve diğerleri, 2022).
Ayrıca nanoteknolojinin uygulanması, yüksek verimli ve düşük maliyetli termoelektrik malzemelerin tasarımını kolaylaştırdı ve böylece termoelektrik cihaz uygulamalarında uzun süredir devam eden maliyet etkinliği sorununa çözüm buldu (Zebarjadi ve diğerleri, 2012; Li ve diğerleri, 2020). ).
Nanoteknolojinin termoelektrik malzemelere dahil edilmesi, termoelektrik performans üzerinde doğrudan etkisi olan sıcaklık farklarıyla ilgili sınırlamaların ele alınmasında da etkili olmuştur (Liu ve diğerleri, 2022).
Ayrıca, skutterudit gibi nanoyapılı malzemelerin kullanımı, enerji üretimi uygulamaları için termoelektrik verimliliği artırma potansiyelini ortaya koymuştur (Nolas ve diğerleri, 1999; Zheng, 2008).
Nanoteknolojideki ilerlemeler sadece termoelektrik malzemelerin geliştirilmesine odaklanmamış, aynı zamanda yüksek performanslı termoelektrik filmlerin ve jeneratörlerin üretimi için sprey baskı gibi yeni üretim tekniklerinin geliştirilmesine de yayılmıştır (Hong ve diğerleri, 2015). .
Buna paralel olarak nanoteknoloji alanı, fizik, kimya, malzeme bilimi ve mühendislik bilimlerini içeren multidisipliner bir yaklaşımla önemli ilerlemelere tanık olmuştur (Manasa vd., 2023; Valsamma, 2012).
Nanoteknolojinin termoelektrik malzemeler de dahil olmak üzere çeşitli alanlarda devrim yaratma potansiyeli geniş çapta kabul görmüştür. Nanomalzemelerin yüzey kaplamalarına entegrasyonu, zorlu koşullar altında bileşenlerin performans gereksinimlerini karşılama konusunda ümit verici olmuş, böylece nanomalzemelerin uygulamaları genişlemiştir (Zhao ve diğerleri, 2015).
Ayrıca, akıllı entegre mikro-nano teknolojilerin gelişimi, nanoteknoloji alanında yeni araştırma ve geliştirme fırsatları sunan ileri yapı ve kavramların hayata geçirilmesinin önünü açmıştır (Gheorghe ve diğerleri, 2011).
Nanoteknoloji, malzeme biliminde bir dönüm noktası yaratmış ve termoelektrik performansı artırma çabalarında önemli bir rol oynamıştır. Bu makalede, nanoteknoloji kullanılarak termoelektrik performanstaki zorlukların ele alınması sürecinde kaydedilen ilerlemeleri ve bu alandaki önemli gelişmeleri inceleyeceğiz.
1. Termoelektrik Performans ve Nanoteknoloji
Termoelektrik cihazlar, sıcaklık farkından elektrik enerjisi üretmeyi amaçlar ve bu alandaki başarı, zT değeri ile ölçülür. zT değeri, bir malzemenin termoelektrik verimliliğini belirler ve bu değerin yüksek olması istenir. Ancak, geleneksel malzemelerde bu değer genellikle düşük olup, nanoteknoloji bu zorluğun üstesinden gelmeye yönelik umut verici bir yaklaşım sunmaktadır.
Termoelektrik malzemelerin tek dezavantajı şu anda aynı amaçlı kullanılan diğer sistemlere göre verimlerinin düşük ve üretim maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Bu malzemelerin verimliliği, termoelektrik performans katsayısı (figure of merit) olarak adlandırılan boyutsuz ZT parametresi ile belirlenmektedir.
Denklemde, α: Seebeck katsayısı (V/K), ρ: elektriksel özdirenç (Ω.m), k: ısı iletim katsayısı (W/m.K), σ: elektriksel iletkenlik (S/m) ve T: ortalama sıcaklık (K) olarak tanımlanmaktadır.
Bugün ticari olarak kullanılan TE cihazların büyük bir kısmı Bi2Te3 ya da Sb2Te3 (bizmut-tellür) bazlıdır. Bizmut-tellür bazlı termoelektrik malzemelerin ZT değeri oda sıcaklığında yaklaşık 1 değerinde olup buna karşılık gelen TE cihazın verimliği %5-8 arasında değişmektedir.
Bu malzemelerin diğer sistemlere göre verimlerinin düşük olması, özellikle bilim insanlarını, yüksek ZT değerine sahip yeni nesil TE malzeme gruplarının bulunması üzerine odaklanmasına sağlamaktadır.
2. Nanoteknolojinin Rolü: Zorlukları Anlamak ve İyileştirmek
Nanoteknoloji, malzemelerin nanometre ölçeğinde manipülasyonuyla termoelektrik performansı artırmak için çeşitli yöntemleri içermektedir.
2.1. Nano Yapılandırma:
Nanopartiküller veya nanotüplerin termoelektrik malzemelere entegrasyonu, ısı iletimini azaltarak zT değerini artırabilir.
2.2. Termodinamik Optimizasyon:
Nanoteknoloji, malzemelerin termodinamik özelliklerini optimize etmeye ve daha yüksek zT değerlerine ulaşmaya yardımcı olabilir.
2.3. Nano Ölçekli Yapıların Kontrolü:
Nanoteknoloji, malzemelerin nano ölçekli yapılarını kontrol etme yeteneği sayesinde termoelektrik performansı iyileştirmeye olanak tanır.
3. Zorlukların Üstesinden Geliş: Başarı Hikayeleri ve İlerlemeler
3.1. Yüksek Performanslı Nanomalzemeler:
Nanoteknolojinin uygulandığı yeni malzemeler, yüksek zT değerlerine sahip olabilir, bu da termoelektrik verimliliği artırır.
3.2. Nano Yapı Kontrolü ve Tasarım:
Malzeme bilimciler, nanoteknoloji kullanarak malzemelerin termoelektrik performansını artırmak için özel nano yapılar tasarlamaktadır.
4. Gelecek Perspektifi ve Sonuç: Yol Haritası ve Potansiyel Uygulamalar
Nanoteknolojinin termoelektrik performansındaki zorlukları ele almadaki rolü, gelecekte enerji dönüşümü ve sürdürülebilir enerji uygulamalarında çığır açan sonuçlara yol açabilir. Bu alandaki araştırmaların devamı, nanoteknolojinin termoelektrik verimliliğini artırmada daha fazla potansiyeli açığa çıkarabilir.
Nanoteknolojinin entegrasyonu yalnızca yüksek performanslı termoelektrik malzeme ve cihazların geliştirilmesine yol açmakla kalmamış, Termoelektrik malzemeler, enerji hasadı ve soğutma uygulamalarındaki potansiyelleri nedeniyle büyük ilgi görmüştür. Nanoteknolojinin entegrasyonu termoelektrik performansı artırmak için yeni yollar açtı.
Sonuç olarak, termoelektrik performans ile nanoteknoloji arasındaki sinerji, geleceğin enerji ihtiyaçlarının karşılanması açısından muazzam bir potansiyel barındırmaktadır.
Referanslar:
- Dresselhaus, M., Chen, G., Tang, M., Yang, R., Lee, H., Wang, D., … & Gogna, P. (2007). Düşük boyutlu termoelektrik malzemeler için yeni yönler. Gelişmiş Malzemeler, 19(8), 1043-1053. https://doi.org/10.1002/adma.200600527
- Gheorghe, I., Istriteanu, S., Cirstoiu, A. ve Despa, V. (2011). Akıllı entegre mikro-nano-teknolojiler.. https://doi.org/10.2507/daaam.scibook.2011.06
- Hong, C., Kang, Y., Ryu, J., Cho, S. ve Jang, K. (2015). Sprey baskılı cnt/p3ht organik termoelektrik filmler ve güç jeneratörleri. Malzeme Kimyası Dergisi A, 3(43), 21428-21433. https://doi.org/10.1039/c5ta06096f
- Li, H., Zhu, X., Li, Z., Yang, J. ve Lan, H. (2020). Elektrik alanıyla çalışan mikro ölçekli 3 boyutlu baskı yoluyla nano gümüş macunun hazırlanması ve şeffaf elektrotlarda uygulamalar. Nanomalzemeler, 10(1), 107. https://doi.org/10.3390/nano10010107
- Liu, Y., Hou, S., Wang, X., Yin, L., Wu, Z., Wang, X., … & Cao, F. (2022). Pasif ışınımlı soğutma, giyilebilir termoelektrik jeneratörlerde performansın artmasını sağlar. Küçük, 18(10). https://doi.org/10.1002/smll.202106875
- Manasa, S. ve Shireesha, B. (2023). Nano malzemelerin farmasötik bilime yaklaşımı. Uluslararası Bilim ve Araştırma Arşivi Dergisi, 8(1), 086-098. https://doi.org/10.30574/ijsra.2023.8.1.0356
- Nolas, G., Morelli, D. ve Tritt, T. (1999). Skutterudites: gelişmiş termoelektrik enerji dönüşüm uygulamalarına fonon-cam-elektron kristali yaklaşımı. Malzeme Biliminin Yıllık İncelemesi, 29(1), 89-116. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.29.1.89
- Toshima, N., Oshima, K., Anno, H., Nishinaka, T., Ichikawa, S., Iwata, A., … & Shiraishi, Y. (2015). Yeni hibrit organik termoelektrik malzemeler: nanopartikül polimer kompleksi, karbon nanotüpler ve vinil polimerden oluşan üç bileşenli hibrit filmler. Gelişmiş Malzemeler, 27(13), 2246-2251. https://doi.org/10.1002/adma.201405463
- Valsamma, K. (2012). Nano teknoloji: transın diğer yüzü
