Новости химической науки > Новая веха в развитии термоэлектрики

Исследователи из США заявляют, что достигли нового рубежа в развитии термоэлектрики, создав материал, который способен преобразовывать тепловую энергию в электрическую более эффективно, чем материалы, известные к настоящему времени. Новый термоэлектрик структурирован для рассеивания фононов и отличается производительностью на 20% большей, чем может обеспечить самый производительный материал такого рода, известный к настоящему времени.

Термоэлектрические материалы могут использоваться для преобразования отведенного из технологического процесса, «лишнего» тепла в электричество. При нагреве одного конца изделия, изготовленного из термоэлектрического материала, электроны смещаются к охлажденному концу, возникает разность потенциалов, которая может применяться для создания электрического тока.

Обработка PbTe на мезоуровне делает этот материал особенно эффективным в преобразовании отходов теплоты в электроэнергию. (Рисунок из Nature, 2012, 489, 414; DOI: 10.1038/nature11439)

Показатель качества (эффективности преобразования тепловой энергии в электрическую) термоэлектрических материалов зависят от ряда свойств этих материалов. Оно из этих свойств – способность генерировать высокое напряжение, другая – высокая электропроводность, позволяющая высокой силы тока. Однако в плане разработки новых термоэлектрических материалов исследователи решили сосредоточиться на оптимизации еще одного свойства – достижения низкой теплопроводности, позволяющей достигать значительного градиента температур.

Тепло проходит по материалу в форме волн – фононов, обладающих различными длинами волн. Для предотвращения передачи потока тепла и, таким образом, для понижения теплопроводности необходимо разработать метод рассеивания фононов. На заре создания и изучения термоэлектрики исследователи обнаружили, что рассеивание фононов может происходить за счет изменения атомов в узлах кристаллической решетки материала, при этом был достигнут коэффициент конверсии тепла в электричество, равный одному проценту. В начале 2000-х с использованием наноразмерных кристаллов, позволяющих осуществлять рассеивание средневолновых фононов, коэффициент конверсии был увеличен до 1.8%.

Меркури Канацидис (Mercouri Kanatzidis) из Северо-западного университета (Иллинойс) верен, что двухпроцентная производительность термоэлектрических материалов долгое время оставалась «психологическим барьерам», преодоление которого могло бы привести разработке новых термоэлектрических материалов и, как следствие – к их практическому применению.

Исследователи из группы Канацидиса смогли создать материал с производительностью более 2%, изменив его структуру не только на атомном уровне и наноуровне, но и на мезоуровне. Они использовали легированный натрием теллурид свинца и теллурид стронция – материалы, которые при переходе из жидкого в твердое состояние самопроизвольно организуются образуя атомные и наноразмерные фонон-рассеивающие структуры. Полученное при застывании твердое вещество было размолото в порошок с размером зерен, способным к рассеиванию фононов с длинными волнами. Такой подход позволил получить термоэлектрический материал с производительностью около 2,2%.

Специалист по материалам из Калифорнийского Технологического Института в Пасадене, Джефф Снайдер (Jeff Snyder), отмечает, что еще несколько лет назад считалось, что легированный натрием PbTe может достигать производительности не выше 0.6%, а результаты новой работы поднимают эту производительность почти вчетверо. Такая степень конверсии тепла в электричество, конечно еще не является достаточным для немедленного практического применения, но является существенной вехой на пути в разработке материалов такого рода.

Источник: Nature, 2012, 489, 414 (DOI: 10.1038/nature11439)

метки статьи: #неорганическая химия, #новые материалы, #физическая химия