Розроблено термоелектричний матеріал для зеленої енергетики.

Промислове відпрацьоване тепло, що виділяється на виробництві, є значним джерелом енергії, яке зазвичай втрачається в навколишньому середовищі. Для підвищення ефективності енергоспоживання розроблені технології, що дозволяють захоплювати і переробляти тепло в електрику. У цьому можуть допомогти термоелектричні матеріали, які класифікуються за температурними діапазонами: низькотемпературні (до 575 K), середньотемпературні (575–925 K) і високо-температурні (понад 925 K). Хоча перші два типи добре вивчені, останній все ще потребує поглибленого дослідження.

Матеріали, створені на основі перовскіту манганіту кальцію з додаванням маркіту, демонструють покращені термоелектричні властивості при підвищених температурах, що перевершує відомі аналоги. Ці характеристики досягаються завдяки контрольованій пористості (10–22 відсотка) та оптимізованій структурі, яка має значний вплив на провідність тепла та електрики.

«Матеріал повинен мати не тільки високу термічну стійкість, але також бути економічно доступним і екологічно безпечним. Цим критеріям найбільш відповідають оксидні термоелектрики. Вони можуть бути як електронними, так і дірковими провідниками, що дозволяє створювати ефективні термоелектричні модулі, комбінуючи матеріали з різними типами провідності для підвищення продуктивності пристроїв», — розповів керівник проекту, кандидат технічних наук Сергій Юдін, провідний експерт НДЦ «Конструкційні керамічні наноматеріали» НИТУ МІСІС.

Дослідники Університету МІСІС запропонували метод, що включає молекулярне змішування хімічних речовин, де іони рівномірно розподіляються в розчині, створюючи основу для однорідного матеріалу. Потім рідину перетворюють на аерозоль, краплі якого потрапляють у гарячу зону реактора. Там відбувається їх локальне горіння, що дозволяє точно контролювати склад і формувати унікальні мікроструктури, такі як порожнисті або пористі сфери з заданою товщиною стінок і розміром пор, без проміжних стадій обробки.

Отриманий порошок ущільнюють і спікають при високих температурах. У його структурі утворюються нові фази, а важливі для термоелектричної ефективності матеріалу властивості покращуються. Деталі дослідження опубліковані в Journal of the European Ceramic Society (Q1).

«Новий метод дозволяє точно налаштувати морфологію і склад матеріалу. Відмінність від аналогів полягає в досягненні рекордної ефективності перетворення тепла в електрику для чистого перовскіту манганіту кальцію, завдяки унікальній комбінації пористості, фазового складу та рівномірності структури. Також метод виключає тривале високотемпературне обпалювання, що застосовується в традиційних підходах, що робить його більш енергоефективним та простим для масштабування», — пояснила Жанна Ермекова, PhD, науковий співробітник НДЦ «Конструкційні керамічні наноматеріали» НИТУ МІСІС.

Надалі дослідники планують зосередитися на пошуку оптимальних концентрацій, а також вивченні різних добавок і їх впливу на термоелектричні властивості матеріалу. Ці дані допоможуть розробити більш ефективні та стабільні композити для високотемпературних застосувань.

Робота виконана за фінансової підтримки Російського наукового фонду.