Нанотехнологии вернут отработанное тепло на службу людям
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.