Статья:

Увеличение термоэлектрической добротности наноструктур за счет обработки фуллереном

Конференция: XLI Студенческая международная заочная научно-практическая конференция «Молодежный научный форум: технические и математические науки»

Секция: Технические науки

Выходные данные
Абрашин Д.К. Увеличение термоэлектрической добротности наноструктур за счет обработки фуллереном // Молодежный научный форум: Технические и математические науки: электр. сб. ст. по мат. XLI междунар. студ. науч.-практ. конф. № 1(41). URL: https://nauchforum.ru/archive/MNF_tech/1(41).pdf (дата обращения: 22.08.2018)
Лауреаты определены. Конференция завершена
Эта статья набрала 2 голоса
Мне нравится
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
Дипломы
лауреатов
Сертификаты
участников
на печатьскачать .pdfподелиться

Увеличение термоэлектрической добротности наноструктур за счет обработки фуллереном

Абрашин Даниил Кимович
магистрант 1 год обучения, Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО), РФ, г. Санкт-Петербург

 

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 Bi0,5Sb1,5Te3 (a); состав Bi0,4Sb1,6Te3 (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

Материал

ZT до обработки

ZT после обработки

Изменение, %

Bi0,5Sb1,5Te3

1,5

1,77

+18

Bi0,4Sb1,6Te3

1,7

1,955

+15

 

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

S (Strengths, сильные стороны)

W (Weaknesses, слабые стороны)

Технологическая простота

КПД ТЭГов по-прежнему невысок

Низкая стоимость

Производственное применение нанокомпозитных термоэлектриков исследовано не до конца

O (Opportunities, возможности)

T (Threats, угрозы)

Возможность массового производства

Удорожание и увеличение времени НИОКР

Дополнительное увеличение ZT за счет комбинирования с другими методами повышения термоэлектрической добротности

Возможно выявление новых нетривиальных проблем, связанных с производством и эксплуатацией полученных нанокомпозитов

 

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].

 

Список литературы:
1. Абрашин Д.К. Разработка энергосберегающих систем охлаждения на основе термоэлектрических генераторов // V-й Международный молодежный конкурс научных работ «Молодежь в науке: Новые аргументы» – 2016. – С. 40–47.
2. Бирюков А.В., Репников Н.И., Симкин А.В., Ховайло В.В. Термоэлектрическая эффективность низкотемпературных генераторных материалов, возможности ее повышения // Вестник Челябинского государственного университета – 2015. – № 7 (362). – С. 21–29.
3. Булат Л.П., Бочков Л.В., Нефедова И.А., Ахыска Р. Наноструктурирование как способ повышения эффективности термоэлектриков // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики – 2014. – № 4 (92). – С. 48–56.
4. Грант РФФИ 12-08-00283-а «Наноструктуры для эффективных термоэлектрических преобразователей энергии, полученные спиннингованием с последующим искровым плазменным спеканием». Руководитель: Булат Л.П., Университет ИТМО, 2012.
5. Университет ИТМО: Итоги НИОКР 2014 года – [Электронный ресурс] – URL: http://research.ifmo.ru/ru/stat/249/Itogi_NIOKR_2014.htm (дата обращения: 11.12.2016).
6. Roger D. Launius Powering Space Exploration: U.S. Space Nuclear Power, Public Perceptions, and Outer Planetary Probes // Smithsonian Institution, Washington, DC 20650, 2008, P. 23.
7. Wei-Hsin Chena, Po-Hua Wua, Xiao-Dong Wangb, Yu-Li Linc Power output and efficiency of a thermoelectric generator under temperature control // Energy Conversion and Management – 2016. – P. 404–415.
8. Zhongliang Ouyang, Dawen Li Modelling of segmented high-performance thermoelectric generators with effects of thermal radiation, electrical and thermal contact resistances // Scientific Reports 6 – 2016. – P. 20.