Ученые НИТУ «МИСиС» разрботали быстрый и экономичный способ получения теплоэлектрических материалов
14 июня 2017
Фото: Сотрудник Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрей Воронин
Эффект преобразования тепловой энергии в электрическую был обнаружен в 1821 году немецким физиком Томаом Зеебеком и звучит как "Если два спая разных проводников имеют неодинаковую температуру, то в цепи течет электрический ток". С ним напрямую связан "Эффект Пельтье": "При протекании тока через цепь, составленную из двух разнородных проводников, на одном спае произойдет выделение, а на другом – поглощение тепла". Но на сегодняшний день нет технологий, который могли бы позволить использовать эффект Зеебека в промышленных масштабах. Тем не менее материалы, способные напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую, существуют: такие термоэлектрические материалы активно используются в энергетике, холодильных установках. Работающие от тепла радиоактивного распада термоэлектрогенераторы установлены на космических аппаратах: например, на Cassini, NewHorizon, этот же принцип использован при разработке электрогенератора марсохода Curiosity. Также ведутся разработки теплоэлектрогенераторов, способных повысить эффективность различных видов электростанций.
Как полагают ученые НИТУ «МИСиС», созданный ими материал пополнит линейку разработок университета для космоса. Термоэлектрические материалы, созданные ими, сочетают в себе два «вида» атомов: одни жестко закреплены в узлах кристаллической решётки и обеспечивает высокую электропроводность, вторые свободно колеблются - это резко снижает теплопроводность, потому что слабосвязанные с кристаллическим каркасом атомы эффективно рассеивают тепло. Такого сочетания удалось добиться за счет создания интерметаллидов, кристаллическая структура которых содержит пустоты. Заполняя их «гостевыми» атомами без нарушения кристаллической решетки, учёные и получают необходимое сочетание свойств.
Ключевой параметр термоэлектрических материалов – термоэлектрическая добротность, которая описывает соотношение электропроводность-теплопроводность. Чем выше электропроводность и чем ниже теплопроводность, чем выше термоэлектрическая добротность материала. Одним из самых перспективных таких материалов стал скуттерудит–интерметаллид кобальта и сурьмы – CoSb3. Максимальная добротность возникает в этом материале при разнице температур поверхностей в 400-500 градусов. Для сравнения, у самого известного термоэлектрического материала – теллурида висмута максимум наступает при разнице температур в 100-150 градусов и достигает значения ZT=1,2.
Чтобы добиться высокой добротности в случае системы сурьма-кобальт(ZT=1,4), ученые использовали в качестве металла включения редкоземельных элементов, например, иттербия, или комбинировали сразу два металла. Добротность 1,8 удалось получить, только при внедрении в кристаллическую решетку атомы трех различных металлов.
«Нам удалось решить проблему за счет использования индия в качестве заполнителя и подбора исходного соотношения металлов, которое позволило синтезировать нужный термоэлектрический состав в открытом реакторе. Благодаря такому подходу мы смогли провести синтез в открытом реакторе всего за две минуты с последующим отжигом получившегося образца в течение 5 часов. Сочетание используемого материала и особенностей процесса синтеза ускорило процесс создания в несколько десятков раз, что также сказывается и на стоимости получения таких материалов. При этом полученные значения термоэлектрической эффективности ZT = 1,5 стали рекордными для скуттерудитов с одним видом «гостевых» атомов», – цитируются в сообщении пояснения члена научной группы, сотрудника Центра энергоэффективности НИТУ «МИСиС» Андрея Воронина.
Новый способ отличается от ранее предложенных также относительно низкой стоимостью.
- 18 апреля 2024 РЕДМЕТ-2024
- 25 марта 2024 В мире будет расти глобальная конкуренция за обладание редкоземельным сырьем — Андрей Шевченко
- 21 марта 2024 Ассоциация РМ и РЗМ и Национальная ассоциация производителей источников тока «РУСБАТ» заключили соглашение о сотрудничестве Новости 21 марта 2024
- 19 марта 2024 Руслан Димухамедов выступил на III отраслевой конференции «Редкие и редкоземельные металлы»
- 18 марта 2024 Журнал «Редкие земли» на заседании Горного совета Северо-Западного федерального округа
- 18 марта 2024 Горнорудный дивизион Росатома расширяет выпуск редкоземельной продукции. При участии СМЗ выплавлен первый слиток металлического тантала
- 15 марта 2024 Соликамск отметил день рождения магниевого завода
- 7 марта 2024 III Отраслевая конференция «Редкие и Редкоземельные металлы»
- 2 марта 2024 Владимир Путин поручил нацелить геологоразведку на поиск редкоземельных материалов и другого сырья для экономики
- 16 февраля 2024 Замминистра ответил на вопросы журнала Редкие земли
- 15 февраля 2024 Андрей Андрианов о запуске в России производства постоянных редкоземельных магнитов
- 15 февраля 2024 Ключевые успехи российской промышленности представили на выставке-форуме «Россия»
- 13 февраля 2024 Дойти до конца цепочки
- 12 февраля 2024 Журнал «Редкие земли» на Торжественном вечере, посвящённом 300-летию Российской академии наук
- 7 февраля 2024 «Нет ничего выше и прекраснее, чем давать счастье многим людям», — Людвиг ван Бетховен.