Как увеличить эффективность конверсии тепла в электричество

Материалы, конвертирующие тепло в электричество, применяются в термоэлектрогенераторах, термоэлектрических холодильниках, а также в термометрах широчайшего рабочего диапазона (от абсолютного нуля до тысяч градусов). Несмотря на большой спрос на подобные вещества, им сильно недостаёт эффективности. Если бы термоэлектрики лучше конвертировали тепло, они вполне могли бы генерировать электричество от тепла, рассеиваемого компьютерами, машинами и в особенности заводскими трубами.

Китайские учёные обнаружили новый способ реструктурирования хорошо известного термоэлектрического материала, который позволяет повысить его эффективность сразу в 8 раз. Результаты исследования они представили в Journal of the American Chemical Society.

Чтобы иметь возможность сравнивать эффективность разных термоэлектрических материалов, был введён синтетический параметр ZT. Для достижения высокого ZT материал должен хорошо проводить электричество, обладая при этом низкой теплопроводностью. К сожалению, в случае объёмных материалов добиться такого совмещения практически невозможно. Одним из решений сложной дилеммы становится переход к использованию наноматериалов (нанопровода, нанокристаллы и так далее), содержащих огромное количество границ, которые рассеивают переносящие тепло частицы (фононы), за счёт чего происходит значительное снижение теплопроводности. Однако те же границы могут рассеивать не только фононы, но и электроны, причём обычно эта способность бывает выражена в гораздо большей степени, чем хотелось бы.

Учёные из Китайского университета науки и технологий нашли альтернативный подход к увеличению параметра ZT. В качестве отправной точки они выбрали селенид висмута, отличающийся слоистой структурой. Более ранние теоретические исследования показали, что каждый слой этого материала обладает в два раза более высокой проводимостью, чем целый кристалл.

Для получения отдельных слоёв селенида висмута исследователи интенсивно перемешивали его взвесь с карбонатом лития. Ионы лития интеркалировались между отдельными слоями селенида висмута толщиной в пять атомов. Последующее воздействие ультразвука вызывало расщепление интеркалированного кристалла на слои, которые собрались и высушивались после удаления лития.

Затем эти слои спрессовывались и нагревались до 350 ˚С — до получения плотных гранул. Как и ожидалось, многочисленные интерфейсы внутри получившегося композита рассеивали фононы, эффективно снижая термическую проводимость. И вот итог: сравнительный параметр эффективности ZT нового гранулированного материала достиг 0,35, что в 8 раз (!) выше, чем у кристаллического селенида висмута.

К сожалению, несмотря на значительный успех, показанный параметр эффективности композита всё ещё слишком мал для того, чтобы рассчитывать на масштабное использование. Границей применимости термоэлектриков является величина ZT = 0,7. И всё же сама стратегия повышения эффективности конверсии тепла в электричество, продемонстрированная в этой работе, заслуживает внимания.

Подготовлено по материалам Chemical and Engineering News.