Промышленное отработанное тепло, выделяемое на производстве, представляет собой значительный источник энергии, который обычно теряется в окружающей среде. Для повышения эффективности энергопотребления разработаны технологии, позволяющие улавливать и перерабатывать тепло в электричество. Помочь в этом могут термоэлектрические материалы, которые классифицируются по температурным диапазонам: низкотемпературные (до 575 K), среднетемпературные (575–925 K) и высокотемпературные (свыше 925 K). Хотя первые два типа хорошо изучены, последний все еще требует углубленного исследования.
Материалы, созданные на основе перовскита манганита кальция с добавлением марокита, демонстрируют улучшенные термоэлектрические свойства при повышенных температурах, что превосходит известные аналоги. Эти характеристики достигаются благодаря контролируемой пористости (10–22 процентов) и оптимизированной структуре, которая оказывает значительное влияние на проводимость тепла и электричества.
«Материал должен обладать не только высокой термической устойчивостью, но также быть экономически доступным и экологически безопасным. Этим критериям наиболее соответствуют оксидные термоэлектрики. Они могут быть как электронными, так и дырочными проводниками, что позволяет создавать эффективные термоэлектрические модули, комбинируя материалы с разными типами проводимости для повышения производительности устройств», — рассказал руководитель проекта, кандидат технических наук Сергей Юдин, ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Исследователи Университета МИСИС предложили метод, включающий молекулярное смешение химических веществ, где ионы равномерно распределяются в растворе, создавая основу для однородного материала. Затем жидкость превращают в аэрозоль, капли которого попадают в горячую зону реактора. Там происходит их локальное горение, что позволяет точно контролировать состав и формировать уникальные микроструктуры, такие как полые или пористые сферы с заданной толщиной стенок и размером пор, без промежуточных стадий обработки.
Полученный порошок уплотняют и спекают при высоких температурах. В его структуре образовываются новые фазы, а важные для термоэлектрической эффективности материала свойства улучшаются. Подробности исследования опубликованы в Journal of the European Ceramic Society (Q1).
«Новый метод позволяет точно настроить морфологию и состав материала. Отличие от аналогов заключается в достижении рекордной эффективности преобразования тепла в электричество для чистого перовскита манганита кальция, благодаря уникальной комбинации пористости, фазового состава и равномерности структуры. Также метод исключает длительное высокотемпературное обжигание, используемое в традиционных подходах, что делает его более энергоэффективным и простым для масштабирования» — объяснила Жанна Ермекова, PhD, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
В дальнейшем исследователи планируют сосредоточиться на поиске оптимальных концентраций, а также изучении разных добавок и их влияния на термоэлектрические свойства материала. Эти данные помогут разработать более эффективные и стабильные композиты для высокотемпературных применений.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.
Университет науки и технологий МИСИС — это ведущий вуз в области создания, внедрения и применения новых технологий и материалов; первый в стране, получивший статус «Национального исследовательского технологического университета». Первое место в России и ТОП-100 в мире в рейтинге QS Materials Science за 2023 год. В университете действуют 45 научно-исследовательских лабораторий и 3 научных центра мирового уровня. В состав НИТУ МИСИС входят 8 институтов, 4 филиала в России и 2 за рубежом.
Показать больше