Разработан термоэлектрический материал для экологически чистой энергетики.

Отработанное тепло, выделяемое в процессе производства, является значительным источником энергии, который чаще всего теряется в окружающей среде. Для повышения эффективности использования энергии были разработаны технологии, позволяющие улавливать и преобразовывать это тепло в электричество. В этом процессе могут помочь термоэлектрические материалы, которые делятся на три категории по температурным диапазонам: низкотемпературные (до 575 K), среднетемпературные (575–925 K) и высокотемпературные (выше 925 K). Хотя первые два типа материалов хорошо изучены, последний все еще требует дальнейших исследований.

Материалы на основе перовскита манганита кальция с добавлением марокита показывают улучшенные термоэлектрические свойства при высоких температурах, превосходя известные аналоги. Эти характеристики достигаются благодаря контролируемой пористости (10–22 процента) и оптимизированной структуре, которые значительно влияют на проводимость тепла и электричества.

«Материал должен обладать высокой термической устойчивостью, а также быть экономически доступным и экологически безопасным. Наиболее соответствуют этим критериям оксидные термоэлектрики. Они могут быть как электронными, так и дырочными проводниками, что позволяет создавать эффективные термоэлектрические модули, комбинируя материалы с разными типами проводимости для увеличения производительности устройств», — отметил руководитель проекта, кандидат технических наук Сергей Юдин, ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.

Исследователи Университета МИСИС разработали метод, включающий молекулярное смешение химических веществ, при котором ионы равномерно распределяются в растворе, создавая основу для однородного материала. Затем жидкость превращается в аэрозоль, капли которого попадают в горячую зону реактора. В этом месте 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 этапов обработки.

Полученный порошок уплотняют и спекают при высоких температурах. В его структуре формируются 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 настраивать морфологию и состав материала. Его отличие от аналогичных методов заключается в достижении рекордной эффективности преобразования тепла в электричество для чистого перовскита манганита кальция, благодаря уникальной комбинации пористости, фазового состава и равномерности структуры. Кроме того, 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 будущем исследователи намерены сосредоточиться на определении оптимальных концентраций, а также изучении различных добавок и их влияния на термоэлектрические свойства материала. Эти данные помогут в разработке более эффективных и стабильных композитов для высокотемпературных применений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда.