Увеличение термоэлектрической добротности наноструктур за счет обработки фуллереном

Проблема термоэлектрического преобразования энергии поднимается в трудах многих российских и иностранных ученных: А.Ф.Иоффе, Меркури Канатзидиса (Mercouri Kanatzidis), Д.А. Бута, Ганг Чена (GangChen) и других[1].

Сегодня термоэлектрические материалы используются во многих областях человеческой деятельности: молекулярная биология, разнообразные лазеры, приборы ночного видения, температурные датчики, космонавтика. Например, в автоматической межпланетной станции (АМС) NASA NewHorizons, предназначенной для изучения Плутона и его естественного спутника Харона используются термоэлектрики, преобразующие тепло от распада радиоактивных изотопов в электричество. Точно также происходит и на межпланетном аппарате Cassini, разработанном в рамках программы по изучению исследования планеты Сатурн, его колец и спутников Cassini–Huygens[6].

Однако термоэлектрики не получили массового распространения из-за низкого КПД. Современные термоэлектрические генераторы (ТЭГи) способны выдавать 5–13% КПД, что явно недостаточно для их масштабного использования. Несмотря на это, они по-прежнему используются как дополнительные источники энергии в силу ряда причин: большой срок службы, высокая надежность, стабильность параметров, вибростойкость[7].

Увеличение КПД хотя бы до 15% способно значительно подстегнуть интерес общества к термоэлектрикам, придать исследованиям в данной области лавинообразный характер, а при КПД в 20% и больше можно будет с уверенностью говорить о самой настоящей термоэлектрической революции. Поэтому поиски эффективного термоэлектрика являются приоритетной задачей.

Эффективность термоэлектрического материала определяется таким показателем, как коэффициент термоэлектрической добротности. Коэффициент добротности представлен в виде безразмерного показателя ZT:

                                                                                             (1)

где T – абсолютная температура, α – коэффициент термоЭДС материала, σ – его электропроводность, а χ – теплопроводность[8].

К перспективным материалам для термоэлектрических изделий можно отнести: теллуриды висмута III (Bi2Te3), свинца(PbTe), германия(GeTe) и сурьмы III (Sb2Te3); селениды висмута III (Bi2Se3), сурьмы III (Sb2Se3) и гадолиния(GdSe); моносульфид самария (SmS), силицид магния (Mg2Si) [2].

Другим немаловажным требованием к материалу является возможность его массового производства, поэтому в погоне за термоэлектрической добротностью не следует забывать о себестоимости.

Перспективным и недорогим способом повышения термоэлектрической добротности является легирование наноструктур фуллереном. Суть метода заключается в измельчении металла до наночастиц с помощью механоактивационной обработки в высокоскоростной планетарной шаровой мельнице. Благодаря этому получаются нанозерна размером 5–10 нанометров(нм).

После этого к получившимся наноструктурам добавляют фуллерен C₆₀ или иные наночастицы со слоистой структурой. За счет абсорбции наноструктры металлов быстро покрываются оболочкой из фуллерена. Подобные добавки способны не только препятствовать рекристаллизации – увеличению размеров наночастиц в процессе их обработки, но и управлять этими самыми размерами, что напрямую влияет на термоэлектрическую добротность. На рисунке 1 представлены наночастицы термоэлектриков на основе теллуридов сурьмы и висмута в оболочке из фуллерена.

Рисунок 1. Наночастицы полупроводника в оболочке из фуллерена С₆₀: состав Bi_0,5Sb_1,5Te₃ (a); состав Bi_0,4Sb_1,6Te₃ (б)[3]

Получившиеся нанокомпозиты подвергают искровому спеканию или иным способам обработки для получения готового термоэлектрика. Стоимость такой обработки и результаты повышения термоэлектрической добротности представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Повышение термоэлектрической добротности материалов с помощью обработки наноструктур фуллереном C₆₀

Составим матрицу SWOT-анализа, в которой отразим преимущества и недостатки описанного метода.

Таблица 2.

SWOT-анализ метода повышения термоэлектрической добротности с помощью обработки наноструктур фуллереном C₆₀

Описанный в статье метод разработан Университетом ИТМО совместно с Калифорнийским технологическим институтом (California Institute of Technology) в рамках Международной научной лаборатории «Прямое преобразование энергии и наноинжиниринг термоэлектрических структур» [5]. Также Университетом ИТМО совместно с ФТИ им. А.Ф.Иоффе выигран грант от Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) на изучение наноструктур для эффективных термоэлектрических преобразователей энергии [4].