Нанотехнологии вернут отработанное тепло на службу людям

Технология прямого преобразования отработанного тепла в электричества кажется очень перспективной, если учесть нашу нескончаемую борьбу за сокращение использования ископаемого топлива.

Внимание ученых всего мира сосредоточено на термоэлектриках, которые как раз и преобразуют одну энергию в другую.

Из множества потенциальных кандидатов, которые работают в температурном диапазоне от 30 до 630 градусов по Цельсию, лучшими термоэлектрическими свойствами обладает теллурид свинца. К сожалению, выдающиеся свойства материала меркнут в свете природной токсичности свинца, а потому ученые продолжают искать более безопасную альтернативу.

Например, это может быть теллурид олова. Однако он не столь эффективен, как теллурид свинца, и ученые активно исследуют разные возможности улучшения его термоэлектрических свойств. Снижают эффективность теллурида олова две проблемы: высокая теплопроводность и низкий коэффициент Зеебека, который определяет, насколько велико генерируемое термоэлектрическое напряжение в качестве функции температуры.

Ученым удалось улучшить показатели двух компонентов по отдельности, но одновременно для теллура и олова сделать это оказалось намного сложнее.

Результаты опубликованы в издании Chemical Engineering Journal.

Ученые доктор Чжохон Ким и Хён Чжу из университета Чунг-Анга (Южная Корея) разработали эффективную стратегию для решения этой проблемы. Их подход основан на наноструктурировании — производстве материала с нужными структурными свойствами в наномасштабе.

В данном случае ученые изготовили нанолисты теллурида олова. Однако их получение с помощью стандартных процедур — процесс очень сложный, и потому ученые решили разработать инновационную стратегию синтеза.

Они использовали преимущество другого полупроводника — селенида олова. Этот материал имеет слоистую структуру. Для получения нанолистов слои достаточно просто отшелушиваются.

Чтобы предотвратить окисление, нанолисты поместили в раствор винной кислоты, а чистый теллур — в атмосферу, состоящую из азота.

Винная кислота извлекает пары олова-селена из нанолистов, и анионы теллура естественным образом замещают анионы селена в этих парах. Затем пары олова-теллура вновь соединяют с исходным нанолистом немного несовершенным способом, создавая в материале поры и границы зерен. Итогом всего этого процесса становится пористый нанолист теллурида олова.

Исследователи изучили механизмы реакций, благодаря которым удалось получить нанолисты, и решили определить условия синтеза, которые позволили получить оптимальную морфологию в наномасштабе.

— Мы выяснили, что если пористые нанолисты теллурида олова с заменой анионов состоят из 3-нанометровых частиц с дефектной формой, то это приводит к снижению теплопроводности и повышенному коэффициенту Зеебека, если сравнивать с обычным теллуридом олова, заявил Ким.

— Это прямой результат введения наноинтерфейсов, пор и дефектов, которые помогают рассеивать в теллуриде олова рамномерные колебания — фононы, которые нарушают термоэлектрические свойства.

Эффективность самых лучших нанолистов теллурида олова составляет 1,1 при температуре 650 градусов по Цельсию, что почти втирое выше, чем у объемного теллурида олова.

Результаты исследования кажутся весьма многообещающими в сфере высокоэффективных термоэлектриков, которые найдут применение не только в производстве энергии, но и в охлаждении, кондиционировании воздуха, транспорте, и даже в биомедицинских устройствах.

Не менее важно то, что удалось понять благодаря новой стратегии синтеза.

— Нестандартный метод, которые мы использовали для получения пористых нанолистов теллурида олова, может оказаться релевантным для других термоэлектрических полупроводников, а также при изготовлении и исследовании пористых и наноструктурных материалов для других целей, пояснил Ким.

Самое важное: поскольку сбор тепловой энергии — это самое востребованное применение термоэлектриков, данное исследование может помочь повысить эффективность промышленных процессов.

Термоэлектрики позволят нам использовать большие объемы ежедневно вырабатываемого тепла и получать полезную электроэнергию.

Дальнейшие исследования в этой области сделают общество более экологичным.

16.02.2021