Исследователи разработали новый подход к созданию термоэлектрических материалов, которые в перспективе могут быть использованы для преобразования промышленного тепла в электричество. Предложенный метод одновременно повышает энергоэффективность производственных процессов и минимизирует воздействие на окружающую среду.
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
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
«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, к.т.н. 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 научном журнале 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 (грант №
