Дешевый материал преобразует тепло в электричество

Новый термоэлектрик может стать недорогим источником энергии

Очищенный поликристаллический селенид олова может стать основой для дешевых устройств, преобразующих отработанное тепло в электричество.

Так называемые термоэлектрические генераторы преобразуют отработанное тепло в электричество, не содержащее парниковых газов, обеспечивая то, что выглядит как бесплатный обед. Но в то время как они помогали питать марсоходы, высокая стоимость этих устройств препятствовала их широкому использованию. Теперь исследователи нашли способ создавать дешевые термоэлектрики, которые работают так же хорошо, как и дорогие. Эта работа может проложить путь к новому поколению более экологичных автомобильных двигателей, промышленных печей и других устройств для производства электроэнергии.

“Это выглядит как очень умный способ достичь высокой производительности”, – говорит Ли-Дон Чжао, ученый-материаловед из Университета Бэйхань, который не принимал участия в работе. Он отмечает, что необходимо предпринять еще несколько шагов, прежде чем эти материалы станут высокопроизводительными термоэлектрическими генераторами. Однако он говорит: “Я думаю, что это будет использовано в не слишком отдаленном будущем.”

Термоэлектрики – это полупроводниковые устройства, расположенные на горячей поверхности, такие как автомобильный двигатель, работающий на газе. Это дает им горячую и прохладную сторону, вдали от горячих поверхностей. Они работают, используя тепло для перемещения электрических зарядов от одного к другому. Если устройство позволяет горячей стороне нагревать холодную сторону, ток прекращается. Успех устройства в предотвращении этого, а также его способность проводить электроны учитываются при оценке, известной как оценка качества, или ZT.

За последние два десятилетия исследователи создали термоэлектрические материалы с увеличением ZT. Рекорд был достигнут в 2014 году, когда Меркурий Канацидис, ученый-материаловед из Северо-Западного университета, и его коллеги создали монокристалл селенида олова с ZT 3,1. Однако материал был сложным в изготовлении и слишком хрупким для работы. “Для практического применения это не триггер”, – говорит Канацидис.

Поэтому его команда решила изготовить свои термоэлектрики из легкодоступных порошков олова и селена, которые после обработки дают зерна поликристаллического селенида олова вместо монокристаллов. Поликристаллические зерна дешевы и могут быть нагреты и спрессованы в слитки длиной от 3 до 5 сантиметров, которые можно использовать для изготовления устройств. Поликристаллические слитки также более долговечны, и Канацидис ожидал, что границы между отдельными зернами замедлят прохождение тепла. Но когда его команда протестировала поликристаллические материалы, их теплопроводность резко возросла, а показатель ZT снизился до 1,2.

В 2016 году команда Northwest обнаружила источник проблемы: ультратонкая пленка оксида олова, образовавшаяся вокруг отдельных зерен поликристаллического селенида олова перед их прессованием в слитки. И эта пленка действовала как экспресс-маршрут, по которому тепло передавалось от зерна к зерну через материал. Итак, в своем текущем исследовании Канацидис и его коллеги придумали способ использовать тепло для удаления кислорода из порошкообразных предшественников, оставляя при этом нетронутый поликристаллический селенид олова.

Результатом, о котором они сообщают сегодня в Nature Materials, стала не только более низкая теплопроводность, чем у монокристаллического селенида олова, но и ZT 3,1. “Это открывает двери для новых устройств, которые будут построены из гранул поликристаллического селенида олова, и для изучения их применения”, – говорит Канацидис.

Потребуется время, чтобы пройти через эту дверь. Поликристаллический селенид олова, который производит команда, насыщен атомами натрия, создавая так называемый материал “р-типа”, который проводит положительные заряды. Для создания рабочих устройств исследователям также нужна версия “n-типа” для проведения отрицательных зарядов.

Команда Чжао недавно объявила о создании монокристаллического селенида олова n-типа путем добавления к нему атомов брома. И Канацидис говорит, что его команда сейчас работает над поликристаллической версией n-типа. После объединения устройств на селениде олова n-типа и p-типа у исследователей должен быть четкий путь к созданию нового поколения ультраэффективных термоэлектрических генераторов. Они могут быть установлены в любом месте, от выхлопных труб автомобилей до водонагревателей и промышленных печей, чтобы утилизировать 65% энергии ископаемого топлива, которая преобразуется в отработанное тепло.

Роберт Ф. СервисРоберт Ф. Сервис

Боб – репортер журнала Science в Портленде, штат Орегон, освещающий статьи о химии, материаловедении и энергетике.

Читайте также: