Разработан экологичный высокоэффективный термоэлектрический материал
Эффект Пельтье широко используется в охлаждающих устройствах, таких как компьютерные компоненты и портативные холодильники, а эффект Зеебека — в термоэлектрических генераторах, в том числе в оборудовании для космических исследований и для выработки электроэнергии из отработанного тепла промышленных предприятий и автомобилей.
В настоящее время наиболее широко используемые коммерческие термоэлектрические материалы основаны на теллуриде висмута (Bi₂Te₃). Однако в их состав входят редкие элементы, такие как теллур, стоимость которых нестабильна, а их добыча сопряжена с экологическими проблемами. Кроме того, для достижения высоких эксплуатационных характеристик при их производстве обычно используются сложные процессы легирования.
Чтобы устранить эти ограничения, исследовательская группа использовала селенид серебра (Ag₂Se) — материал, состоящий из относительно распространенных элементов (серебра и селена), который является более простой и экологичной альтернативой.
Исследователи из Корейского научно-исследовательского института химической технологии (KRICT) синтезировала наночастицы Ag₂Se с помощью метода, основанного на растворении, и добавила избыток селена, чтобы получить состав с высоким содержанием селена (Ag₂Se₁.₂). С помощью простого процесса термообработки они успешно изготовили плотный объемный термоэлектрический материал.
Ключевой механизм заключается в использовании относительно низкой температуры плавления селена. При отжиге селен переходит в жидкую фазу и заполняет пустоты между зернами Ag₂Se, способствуя росту и уплотнению зерен за счет жидкой фазы. Этот процесс улучшает связь между зернами и снижает пористость, что приводит к повышению электропроводности и снижению теплопроводности решетки.
Как сообщается в исследовании, оптимизированный материал Ag₂Se₁.₂ достиг максимального коэффициента полезного действия (zT) 0,927 при температуре 393 К (примерно 120 °C), приблизившись по этому показателю к коммерческим материалам на основе Bi₂Te₃.
Кроме того, прочность материала на сжатие и модуль Юнга увеличились более чем в два раза, что обеспечивает высокие механические характеристики и возможность применения в устройствах сложной или изогнутой формы.
Примечательно, что разработанный процесс позволяет формировать плотные объемные структуры путем простого отжига при температуре около 350 °C и атмосферном давлении, что устраняет необходимость в традиционных процессах спекания при высоких температурах (~1000 °C) или под высоким давлением (сотни МПа). Это значительно упрощает процесс и снижает затраты.
Предполагается, что эта технология будет применяться в системах выработки электроэнергии, которые преобразуют тепло в электричество в промышленных процессах, центрах обработки данных и гелиотермальных системах. В долгосрочной перспективе она также может стать источником питания для носимых IoT-устройств и медицинских датчиков.
Сообщение Разработан экологичный высокоэффективный термоэлектрический материал появились сначала на Время электроники.