Quang tính đang giúp khám phá vật liệu chuyển nhiệt thải thành điện năng

Nhu cầu chuyển sang năng lượng sạch trở nên rõ ràng, khẩn cấp và không thể tránh khỏi. Chúng ta phải giữ nhiệt độ trái đất tăng lên trong khoảng 1.5 độ C để tránh những ảnh hưởng tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu - một thách thức đặc biệt khó khăn trước sự tăng cường không ngừng của nhu cầu năng lượng toàn cầu.

Một phần của câu trả lời là sử dụng năng lượng một cách hiệu quả hơn. Hơn 72% tổng sản lượng năng lượng trên toàn cầu bị mất dưới dạng nhiệt. Ví dụ, động cơ trong một chiếc ô tô chỉ sử dụng khoảng 30% xăng mà nó đốt để di chuyển chiếc ô tô. Phần còn lại được phát tán dưới dạng nhiệt.

Thu hồi ngay cả một phần nhỏ của năng lượng đã mất đó sẽ có ảnh hưởng to lớn đối với biến đổi khí hậu. Vật liệu nhiệt điện, chuyển đổi nhiệt thải thành điện năng hữu ích, có thể giúp ích.

Cho đến gần đây, việc xác định những vật liệu này đã diễn ra rất chậm. Đồng nghiệp và tôi đã sử dụng tính toán lượng tử - một phương pháp mô phỏng dựa trên máy tính để dự đoán các thuộc tính của vật liệu - để tăng tốc quá trình đó và xác định hơn 500 vật liệu nhiệt điện có thể chuyển đổi nhiệt thải dư thừa thành điện năng và giúp cải thiện hiệu suất năng lượng.

Đang có những bước tiến lớn về các ứng dụng rộng rãi

Quá trình chuyển đổi nhiệt thành năng lượng điện bằng vật liệu nhiệt điện dựa trên "hiệu ứng Seebeck." Năm 1826, nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck quan sát rằng việc tiếp xúc đầu các mảnh kim loại không giống nhau với nhiệt độ khác nhau tạo ra một trường từ, sau đó được nhận biết là do một dòng điện.

Ngay sau phát hiện của ông, máy phát điện nhiệt kim loại được chế tạo để chuyển đổi nhiệt từ bếp gas thành dòng điện. Nhưng, như đã phát hiện, kim loại chỉ thể hiện hiệu ứng Seebeck thấp - chúng không hiệu quả trong việc chuyển đổi nhiệt thành điện.

Năm 1929, nhà khoa học Nga Abraham Ioffe cách mạng hóa lĩnh vực nhiệt điện. Ông quan sát rằng bán dẫn - các vật liệu có khả năng dẫn điện nằm giữa kim loại (như đồng) và cách nhiệt (như kính) - có hiệu ứng Seebeck đáng kể cao hơn nhiều so với kim loại, tăng hiệu suất nhiệt điện 40 lần, từ 0.1% lên 4%.

Phát hiện này dẫn đến sự phát triển của máy phát điện nhiệt rộng lớn đầu tiên, cái đèn dầu Nga - một chiếc đèn dầu gia nhiệt vật liệu nhiệt điện để cung cấp năng lượng cho một chiếc radio.

Chúng ta đã đến chưa?

Ngày nay, ứng dụng nhiệt điện rộng lớn từ việc tạo năng lượng trong tàu thám hiểm vũ trụ đến thiết bị làm mát trong tủ lạnh di động. Ví dụ, các chuyến thám hiểm vũ trụ được cung cấp năng lượng bởi máy phát điện nhiệt điện radioisotope, chuyển đổi nhiệt từ plutonium tự nhiên phân hủy thành điện. Trong bộ phim The Martian, ví dụ, một hộp plutonium đã cứu sống nhân vật do Matt Damon đóng, bằng cách giữ ấm anh ta trên sao Hỏa.

Mặc dù có sự đa dạng rộng lớn của các ứng dụng, việc thương mại hóa quy mô lớn của vật liệu nhiệt điện vẫn bị hạn chế do hiệu suất thấp.

Điều giữ chúng lại là gì? Hai yếu tố chính cần được xem xét: các tính chất dẫn điện của vật liệu và khả năng duy trì sự chênh lệch nhiệt độ, làm cho việc tạo ra điện trở nên khả thi.

Vật liệu nhiệt điện tốt nhất sẽ có các tính chất điện tử của bán dẫn và khả năng dẫn nhiệt kém như kính. Nhưng sự kết hợp độc đáo này không được tìm thấy trong các vật liệu tự nhiên. Chúng ta phải kỹ sư hóa chúng.

Tìm kiếm kim trong đống rơm

Trong thập kỷ qua, những chiến lược mới để kỹ sư hóa vật liệu nhiệt điện đã xuất hiện do sự hiểu biết nâng cao về vật lý cơ bản của chúng. Trong một nghiên cứu gần đây trên tạp chí Nature Materials, các nhà nghiên cứu từ Đại học Quốc gia Seoul, Đại học Aachen và Đại học Northwestern thông báo họ đã kỹ sư hóa một vật liệu có tên là selenide thiếc với hiệu suất nhiệt điện cao nhất đến nay, gần gấp đôi so với 20 năm trước. Nhưng họ mất gần một thập kỷ để tối ưu hóa nó.

Để tăng tốc quá trình phát hiện, đồng nghiệp và tôi đã sử dụng tính toán lượng tử để tìm kiếm ứng viên nhiệt điện mới với hiệu suất cao. Chúng tôi tìm trong một cơ sở dữ liệu chứa hàng nghìn vật liệu để tìm những vật liệu có chất lượng điện tử cao và khả năng dẫn nhiệt thấp, dựa trên các tính chất hóa học và vật lý của chúng. Những hiểu biết này giúp chúng tôi tìm ra những vật liệu tốt nhất để tổng hợp và kiểm tra, và tính toán hiệu suất nhiệt điện của chúng.

Chúng ta gần như đã đến điểm mà vật liệu nhiệt điện có thể được áp dụng rộng rãi, nhưng trước hết chúng ta cần phát triển vật liệu hiệu quả hơn nhiều. Với nhiều khả năng và biến số, việc tìm đường đi là như tìm kiếm một chiếc kim trong một đống rơm to lớn.

Giống như máy dò kim loại có thể xác định chính xác một chiếc kim trong đống rơm, tính toán lượng tử có thể tăng tốc quá trình phát hiện vật liệu nhiệt điện hiệu quả. Những tính toán này có thể dự đoán chính xác dẫn điện của electron và nhiệt (bao gồm hiệu ứng Seebeck) cho hàng nghìn vật liệu và tiết lộ các tương tác phức tạp và trước đây được giấu kín giữa những tính chất đó, có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của một vật liệu.

Các ứng dụng quy mô lớn sẽ đòi hỏi vật liệu nhiệt điện phải rẻ, không độc hại và phong phú. Chì và tellurium được sử dụng trong các vật liệu nhiệt điện hiện nay, nhưng giá thành và ảnh hưởng môi trường tiêu cực khiến chúng trở thành mục tiêu tốt để thay thế.

Tính toán lượng tử có thể được áp dụng để tìm kiếm các bộ vật liệu cụ thể bằng cách sử dụng các tham số như sự khan hiếm, chi phí và hiệu suất. Tuy những tính toán này có thể tiết lộ vật liệu nhiệt điện tối ưu, việc tổng hợp vật liệu với các tính chất mong muốn vẫn là một thách thức.

Một nỗ lực đa trường bao gồm các phòng thí nghiệm chính phủ và các trường đại học tại Hoa Kỳ, Canada và châu Âu đã tiết lộ hơn 500 vật liệu trước đây chưa được khám phá với hiệu suất nhiệt điện dự đoán cao. Đồng nghiệp của tôi và tôi hiện đang nghiên cứu hiệu suất nhiệt điện của những vật liệu đó trong các thí nghiệm và đã phát hiện nguồn mới với hiệu suất nhiệt điện cao.

Bài viết này của Jan-Hendrik Pöhls, McCall MacBain Postdoctoral Fellow, Khoa Hóa học và Sinh học Hóa học, Đại học McMaster, được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.