2019-07-11 07:33:02
如何利用改进的聚合物捕获废热能

根据一项官方估计,美国制造业,运输业,住宅和商业消费者仅使用其吸收能源的约40%,浪费了60%。很多时候,这种浪费的能量作为热能或热能从低效的技术中逃脱,而这种技术无法获得这种潜在的能量。

现在,由化学家Dhandapani Venkataraman,“DV”和电气工程师Zlatan Aksamija领导的马萨诸塞州阿默斯特大学的一个团队本月在Nature Communications报道了他们对更有效,更便宜,基于聚合物的热能收获的预测。

“这将是一个令人惊讶的领域,”DV预测,“它为我们提供了另一个关键变量,我们可以改变以提高聚合物的热电效率。这应该让我们和其他人看到聚合物热电新光。“

Aksamija解释说,“近年来利用聚合物通过收集废热将热能转化为电能的兴趣有所增加。废热既是一个问题,也是一种资源;你的工艺浪费的热量越多,效率就越低。 “他补充说,当有一个局部的高温梯度源可供使用时,收集废热就不那么困难了,例如像发电厂这样的高级热源。

Aksamija补充说,与刚性,昂贵的生产无机方法相比,热电聚合物在热量收集方面的效率较低,但是非常有效,但聚合物值得追求,因为它们生产成本更低,并且可以涂覆在柔性材料上 - 例如,环绕发电厂的排气管。

最近,科学家们一直在通过一种称为“兴奋剂”的过程解决这一障碍。有了它,研究人员将化学或其他成分混合到聚合物中,以提高其移动电荷和提高效率的能力。 DV说,“想象一下,我们已经添加了巧克力片,这是一种可以提高导电性的材料,用于饼干。这就是兴奋剂。”

但Aksamija补充说,使用兴奋剂需要权衡利弊。它可以实现更大的电流和更少的热感应电压,或者更多的电压和更小的电流,但不能同时实现两者。 “如果你改善了一个属性,那么你会让另一个属性变得更糟,”他解释说,“并且需要付出很多努力来决定最佳平衡,”或者最佳兴奋剂。

为了解决这个问题,DV和他的化学博士学位。学生Connor Boyle,Aksamija和他的电气工程博士。学生Meenakshi Upadhyaya在DV所谓的“真正的合作”中工作,其中数值模拟的每个见解都为下一系列实验提供了信息,反之亦然。

化学家们进行了实验,而工程团队沿着从“零掺杂”到“最大掺杂”的曲线进行了效率分析,以确定许多不同材料的最佳平衡。他们为了测试数百个场景而进行了大量的模拟,他们使用了位于霍利奥克附近的马萨诸塞州绿色高性能计算中心。

Aksamija说。 “我们现在可以告诉你,对于每一种材料,这两种性质的最佳平衡是什么,有一段时间,人们只是对这一点感到满意。”但他补充说,在此过程中,他们发现了一个尚未考虑的全新变量,这个变量对掺杂聚合物有效收集热能的能力至关重要。

他说,“最初的分析没有解决兴奋剂成分的位置问题,材料是否聚集,以及它们聚集到多少,或者聚集在一起,正如我们所说的那样。事实证明,聚类是关键变量。”该团队转向化学家迈克尔巴恩斯,他是他们最近的论文的共同作者,他使用开尔文探针力显微镜探测纳米水平的掺杂剂,并表明在室温下掺杂的聚合物确实存在聚集,但在更高的温度下不会。

Upadhyaya说,经过这一确认,研究人员转向建模扩大的权衡曲线。根据他们的理论建模,她和Aksamija发现聚类改变了该曲线的形状。她说,为了提高效率,超越电流 - 电压权衡,人们必须改变整个权衡曲线。

研究人员表示,这一意想不到的发现应为设计更有效的热电设备聚合物提供了新的途径。 DV指出,到目前为止,化学家和材料科学家一直试图将聚合物组织成更像无机物,“很好地排列并非常规则,这很难做到,”他补充道。 “事实证明这可能不是可行的方法;你可以采取另一种方式或另一种方法。我们希望这篇论文为推动基于聚合物的热电子学提供基础。”

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