Tilbake til søkeresultatene

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek

High-throughput alloy design of superior thermoelectric materials (Allotherm)

Alternativ tittel: Systematisk søk etter bedre termoelektriske materialer ved legeringsutvikling

Tildelt: kr 12,1 mill.

En av de viktigste utfordringene i samfunnet er å gi bærekraftig og sikker tilgang til energiressurser for alle. Den største uutnyttede energikilden er varme; mer enn 60% av det globale energiforbruket går tapt som varme, og store primærkilder som sol og geotermisk varme utnyttes i liten grad. Termoelektriske (TE) generatorer kan konvertere varme til elektrisitet uten problematiske fluider eller bevegelige deler. Den nåværende generasjonen av TE generatorer er imidlertid basert på sjeldne, dyre og giftige materialer, og effektiviteten er ikke høy nok til å være økonomisk levedyktig i mange situasjoner. Dette prosjektet søker å løse disse utfordringene ved å identifisere nye TE materialer med økt effektivitet, basert på ufarlige, lett tilgjengelige og bærekraftige materialer. Dette blir gjort ved en screening som starter med alle kjente og mange hypotetiske uorganiske materialer. Så langt har den teoretiske delen av prosjektet resultert i en lang rekke forutsigelser som kan føre til nye og bedre materialer for termoelektrisitet: 1. En screeningstudie av drøyt 1000 materialer fra databasen MaterialsProject oppdaget åtte nye materialer med båndgap, noe som er en forutsetning for høy termoelektrisk effekt. Av disse ble det funnet at to materialer har lovende termoelektriske egenskaper. Studien er publisert i Applied Physics Letters. 2. En annen studie utviklet en metode for å lete etter nye materialer med lav termisk ledningsevne (som er gunstig for termoelektrisitet) med en avansert maskinlæringsalgoritme. Dette baserte seg på aktiv sampling kombinert med hovedkomponentanalyse (principal component analysis), som gjør det mulig å bruke maskinlæring med et begrenset antall datapunkter som input. Metoden ble suksessfullt demonstrert på 122 materialer, hvorav samtlige med lav termisk ledningsevne ble identifisert. 3. En undersøkelse av å legere materialer på forskjellige plasser i gitteret ble utført på 122 halv-Heusler-legeringer. Dette er kubiske materialer med tre forskjellige plasser som er fylt av hvert sitt grunnstoff; den generelle kjemiske formelen er XYZ. Delvis substitusjon av X, Y og Z ble utført for alle materialene, og den termiske ledningsevnen ble forutsagt ved hjelp av kvantemekaniske beregninger. Et sett generelle anbefalinger om slike substitusjoner ble formulert på bakgrunn av resultatene, og nye systemer med potensielt svært lav ledningsevne ble identifisert. Den eksperimentelle aktiviteten har begynt arbeidet med å validere de teoretiske forutsigelsene. Her har det blitt brukt elektrostatisk doping av tynne filmer i tillegg til standard pulvermetallurgisk fremstilling av polykrystallinske materialer og syntese av enkrystaller. De første resultatene (noen av dem er publisert i Applied Electronic Materials) er positive, men det gjenstår å reprodusere de mest optimistiske spådommene.

One of the most pressing challenges of our society is to provide sustainable and secure access to energy resources for everyone. The largest unexploited source of energy is heat; more than 60% of the global consumption is lost as heat, and huge primary sources like solar and geothermal heat are not exploited. Thermoelectric (TE) generators have the potential to convert heat into electricity without harmful working fluids or moving parts. However, the current generation of TE generators are based on rare, expensive and toxic materials, and their efficiency is not high enough to be economically viable in many situations. The Allotherm project seeks to resolve this by identifying new, superior TE materials with increased efficiency, based on safe, available and sustainable materials. This will be done by performing a high-throughput screening starting with most known and many hypothetical inorganic materials. Pivotal in this development is alloy design, which in this context means substitution with isoelectronic elements (from the same group of elements). Thermoelectric properties will be predicted with first-principles calculations coupled with Boltzmann's transport equations. The screening will be step-wise, adding successively more advanced features to the selection criteria. Machine learning will be used to speed up the most computationally challenging part of the screening procedure, where the miscibility is predicted for all promising alloys. Novel use of online database resources and feedback loops will make this particularly efficient and precise. The final selection of materials systems will be based on accurate assessments of all relevant TE properties without any adjustable parameters. In addition, important features like maximum doping level and optimal dopant species will be predicted theoretically. The predictions will be tested experimentally with a range of techniques encompassing synthesis, processing, characterization and measurements.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Ingen publikasjoner funnet

Budsjettformål:

FRINATEK-Fri prosj.st. mat.,naturv.,tek