Новый материал предлагает экологически чистое решение для преобразования отработанного тепла в энергию

На Марсе источником тепла является радиоактивный распад плутония, а эффективность преобразования устройства составляет 4-5%. Этого достаточно для поддержки Perseverance и ее операций, но недостаточно для приложений на Земле.

Группа ученых из Северо-Западного университета и Сеульского национального университета в Корее теперь продемонстрировала высокоэффективный термоэлектрический материал в практической форме, который может быть использован при разработке устройств. Этот материал – очищенный селенид олова в поликристаллической форме – превосходит монокристаллическую форму в преобразовании тепла в электричество, что делает его наиболее эффективной термоэлектрической системой за всю историю наблюдений. Исследователи смогли достичь высокой степени конверсии после выявления и устранения проблемы окисления, которая ухудшила производительность в более ранних исследованиях.

Поликристаллический селенид олова может быть разработан для использования в твердотельных термоэлектрических устройствах в различных отраслях промышленности с потенциально огромной экономией энергии. Основная цель применения – улавливание промышленных отходов тепла, например, от электростанций, автомобильной промышленности, стекольных и кирпичных заводов, и преобразование его в электричество. Более 65% энергии, производимой в мире из ископаемого топлива, теряется в виде отработанного тепла.

«Термоэлектрические устройства используются, но только в нишевых приложениях, например, в марсоходе», – сказал Меркури Канатзидис из Northwestern, химик, специализирующийся на разработке новых материалов. «Эти устройства не так популярны, как солнечные батареи, и создание хороших устройств сопряжено со значительными проблемами. Мы сосредоточены на разработке материала, который был бы недорогим и обладающим высокими характеристиками, и который позволит термоэлектрическим устройствам найти более широкое применение ».

Канатзидис, профессор химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Колледже искусств и наук Вайнберга, является соавтором исследования. У него совместный прием с Аргонской национальной лабораторией.

Подробная информация о термоэлектрическом материале и его рекордных характеристиках будет опубликована 2 августа в журнале. Материалы Природы.

Другой соавтор статьи – Ин Чанг из Сеульского национального университета. Винаяк Дравид, профессор материаловедения и инженерии Абрахама Харриса инженерной школы Маккормика Северо-Западного университета, является одним из старших авторов исследования. Дравид – давний соратник Канатзидиса.

По словам Канатзидиса, термоэлектрические устройства уже хорошо известны, но то, что заставляет их работать хорошо или нет, – это термоэлектрический материал внутри. Одна сторона устройства горячая, а другая холодная. В середине находится термоэлектрический материал. Тепло проходит через материал, и часть тепла преобразуется в электричество, которое покидает устройство по проводам.

Материал должен иметь чрезвычайно низкую теплопроводность, сохраняя при этом хорошую электропроводность, чтобы эффективно преобразовывать отходящее тепло. А поскольку температура источника тепла может достигать 400-500 градусов по Цельсию, материал должен быть устойчивым при очень высоких температурах. Эти и другие проблемы делают производство термоэлектрических устройств более сложным, чем солнечные элементы.

‘Происходило что-то дьявольское’

В 2014 году Канатзидис и его команда сообщили об открытии удивительного материала, который был лучшим в мире для преобразования отработанного тепла в полезное электричество: кристаллической формы химического соединения селенида олова. Хотя монокристаллическая форма является важным открытием, она непрактична для массового производства из-за ее хрупкости и склонности к расслоению.

Селенид олова в поликристаллической форме, который является более прочным и может быть разрезан и сформирован для применения, был необходим, поэтому исследователи обратились к изучению материала в этой форме. К неприятному удивлению они обнаружили, что теплопроводность материала была высокой, а не желательно низким уровнем, характерным для монокристаллической формы.

«Мы поняли, что происходит что-то дьявольское», – сказал Канацидис. «Ожидалось, что селенид олова в поликристаллической форме не будет иметь высокой теплопроводности, но это было так. У нас была проблема ».

При ближайшем рассмотрении исследователи обнаружили на материале корку из окисленного олова. Тепло протекало через проводящую кожу, увеличивая теплопроводность, что нежелательно в термоэлектрическом устройстве.

Решение найдено, открывая двери

Узнав, что окисление происходит как в самом процессе, так и в исходных материалах, корейская команда нашла способ удалить кислород. Затем исследователи смогли произвести гранулы селенида олова без кислорода, которые затем протестировали.

Истинная теплопроводность поликристаллической формы была измерена и оказалась ниже, как первоначально ожидалось. Его характеристики как термоэлектрического устройства, преобразующего тепло в электричество, превзошли характеристики монокристалла, что сделало его наиболее эффективным за всю историю наблюдений.

Эффективность преобразования отработанного тепла в термоэлектриках отражается его «добротностью», числом, называемым ZT. Чем выше число, тем лучше коэффициент конверсии. Ранее было обнаружено, что ZT монокристаллического селенида олова составляет приблизительно от 2,2 до 2,6 при 913 Кельвинах. В этом новом исследовании исследователи обнаружили, что очищенный селенид олова в поликристаллической форме имеет ZT примерно 3,1 при 783 Кельвина. Его теплопроводность была сверхнизкой, ниже, чем у монокристаллов.

«Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и будет изучено их применение», – сказал Канатзидис.

Northwestern владеет интеллектуальной собственностью на материал селенида олова. Потенциальные области применения термоэлектрического материала включают автомобильную промышленность (значительное количество потенциальной энергии бензина выходит из выхлопной трубы автомобиля), тяжелую промышленность (например, производство стекла и кирпича, нефтеперерабатывающие заводы, угольные и газовые электростанции). и места, где большие двигатели внутреннего сгорания работают непрерывно (например, на больших кораблях и танкерах).

Название статьи: «Поликристаллический SnSe с термоэлектрической добротностью выше, чем у монокристалла».