Наночастицы позволят эффективно превращать тепло в электричество

Исследователи из США открыли новый устойчивый к высоким температурам материал, который на 60% эффективнее преобразует тепло в электричество, по сравнению с известными на сегодняшний день термоэлектрическими веществами. Материал, представляющий собой нанокомпозит, стабилен до температур порядка 700 градусов по шкале Цельсия, что потенциально позволяет повысить эффективность использования топлива в автомобилях за счет преобразования в полезное электричество тепловой энергии выхлопа.

Материалы, позволяющие преобразовывать тепловую энергию в электричество, в современном мире кажутся весьма перспективными за счет возможности снизить глобальное потребление энергии. Они могли бы применяться везде, где человечество сталкивается с проблемой излишней тепловой энергии: от автомобилестроения до систем охлаждения ядерных реакторов. Кроме того, они позволят модернизировать системы охлаждения компьютерных микросхем и других электронных компонент, а также повысить эффективность солнечных батарей.

Однако чтобы найти применение на практике, термоэлектрический материал должен проводить электричество, но при этом слабо проводить тепло. Таким образом, он должен обладать большим коэффициентом Зеебека, отражающим отношение возникающего электрического напряжения между двумя точками к перепаду температур между ними. Кроме того, материал должен быть работоспособен при высоких температурах, которые, как например, в случае с выхлопом автомобиля, могут достигать нескольких сотен градусов.

Упомянутым выше условиям удовлетворяют так называемые полу-Гейслеры, вещества, представляющие собой прочные сплавы нескольких металлов. К сожалению, они обладают достаточно высокой тепловой проводимостью. Один из способов снизить эту проводимость состоит в использовании мелкого порошка такого материала, спрессованного в нужную форму (таким образом, чтобы материал представлял собой множество мелких гранул). В этом случае теплу потребуется значительное время для преодоления границ между отдельными гранулами, что снижает общую теплопроводность нанокомпозита.

Совместная группа ученых из США (Boston College, MIT, University of Virginia и Clemson University) достигла значительных успехов в применении этой идеологии для создания своего собственного нанокомпозита, обходящего по своим свойствам все известные до сих пор полу-гейслеры. Команда создала слиток сплава Zr0.5Hf0.5CoSb0.8Sn0.2, который впоследствии был раздроблен в мелкий порошок. Размеры отдельных гранул не превышали 5 – 10 нм. Далее давление и температура были использованы, чтобы сформировать из порошка бруски и диски микрометрового размера. Этот шаг требовал особенной аккуратности при производстве, т.к. надо было уменьшить число наночастиц, соединяющихся между собой, чтобы сформировать крупнозернистую структуру готового материала. Средний размер зерен готового материала был в среднем от 100 до 200 нм; хотя подобные гранулы гораздо крупнее, чем оригинальный порошок, достигнутый результат почти на порядок меньше зерен, до сих пор использовавшихся для формирования термоэлектрических материалов.

Исследуя полученную субстанцию, ученые обнаружили, что соотношение электрического напряжения к перепаду температур в данном случае равняется 0,8 при температуре в 700 градусов по Цельсию. Это почти на 60% лучше, чем у лучших полгу-гейслеровских веществ, полученных ранее. И одна из причин подобного достижения состоит в том, что теплопроводность нового материала на 30% ниже.

Наночастицы позволят эффективно превращать тепло в электричество

Изображение гранулированной структуры нанокомпозита полу-Гейслера.

Исследователи из США открыли новый устойчивый к высоким температурам материал, который на 60% эффективнее преобразует тепло в электричество, по сравнению с известными на сегодняшний день термоэлектрическими веществами. Материал, представляющий собой нанокомпозит, стабилен до температур порядка 700 градусов по шкале Цельсия, что потенциально позволяет повысить эффективность использования топлива в автомобилях за счет преобразования в полезное электричество тепловой энергии выхлопа.

Материалы, позволяющие преобразовывать тепловую энергию в электричество, в современном мире кажутся весьма перспективными за счет возможности снизить глобальное потребление энергии. Они могли бы применяться везде, где человечество сталкивается с проблемой излишней тепловой энергии: от автомобилестроения до систем охлаждения ядерных реакторов. Кроме того, они позволят модернизировать системы охлаждения компьютерных микросхем и других электронных компонент, а также повысить эффективность солнечных батарей.

Однако чтобы найти применение на практике, термоэлектрический материал должен проводить электричество, но при этом слабо проводить тепло. Таким образом, он должен обладать большим коэффициентом Зеебека, отражающим отношение возникающего электрического напряжения между двумя точками к перепаду температур между ними. Кроме того, материал должен быть работоспособен при высоких температурах, которые, как например, в случае с выхлопом автомобиля, могут достигать нескольких сотен градусов.

Упомянутым выше условиям удовлетворяют так называемые полу-Гейслеры, вещества, представляющие собой прочные сплавы нескольких металлов. К сожалению, они обладают достаточно высокой тепловой проводимостью. Один из способов снизить эту проводимость состоит в использовании мелкого порошка такого материала, спрессованного в нужную форму (таким образом, чтобы материал представлял собой множество мелких гранул). В этом случае теплу потребуется значительное время для преодоления границ между отдельными гранулами, что снижает общую теплопроводность нанокомпозита.

Совместная группа ученых из США (Boston College, MIT, University of Virginia и Clemson University) достигла значительных успехов в применении этой идеологии для создания своего собственного нанокомпозита, обходящего по своим свойствам все известные до сих пор полу-гейслеры. Команда создала слиток сплава Zr0.5Hf0.5CoSb0.8Sn0.2, который впоследствии был раздроблен в мелкий порошок. Размеры отдельных гранул не превышали 5 – 10 нм. Далее давление и температура были использованы, чтобы сформировать из порошка бруски и диски микрометрового размера. Этот шаг требовал особенной аккуратности при производстве, т.к. надо было уменьшить число наночастиц, соединяющихся между собой, чтобы сформировать крупнозернистую структуру готового материала. Средний размер зерен готового материала был в среднем от 100 до 200 нм; хотя подобные гранулы гораздо крупнее, чем оригинальный порошок, достигнутый результат почти на порядок меньше зерен, до сих пор использовавшихся для формирования термоэлектрических материалов.

Исследуя полученную субстанцию, ученые обнаружили, что соотношение электрического напряжения к перепаду температур в данном случае равняется 0,8 при температуре в 700 градусов по Цельсию. Это почти на 60% лучше, чем у лучших полгу-гейслеровских веществ, полученных ранее. И одна из причин подобного достижения состоит в том, что теплопроводность нового материала на 30% ниже.

Источник(и):

1. nanotechweb.org

2. sci-lib.com