Нов термоелектрически материал осигурява рекордна ефективност

Възползвайки се от последните постижения при използването на теоретични изчисления за прогнозиране на свойствата на нови материали, международен екип от учени откри нов клас полу-Хойзлерови термоелектрически съединения, включително съединение с рекордно висок коефициент на качество – величина, използвана за определяне на това колко ефективно термоелектрическият материал може да преобразува топлината в електричество.

“Съединението запазва високия си коефициент при всички температури, така че има потенциал да бъде важно за бъдещи приложения”, обяснява физикът Жифенг Рен, директор на Тексаския център за свръхпроводимост в университета в Хюстън (TcSUH).

Термоелектрическите материали привличат все по-голям интерес у научноизследователската общност като потенциален източник на чиста енергия, която се произвежда, когато материалът преобразува топлина – често отпадна топлина, генерирана от електроцентрали или други промишлени процеси – в електричество.

Открити са редица обещаващи материали, въпреки че повечето от тях не успяват да изпълнят всички изисквания за широко разпространени търговски приложения. Учените твърдят, че откритието на полу-Хойзлерови съединения, съставени от тантал, желязо и антимон, дава резултати, които са “доста обещаващи за производство на топлоелектрическа енергия”.

Учените измерват коефициента на полезното действие при преобразуване на едно съединение до 11,4%, което означава, че материалът произвежда 11,4 W електроенергия за всеки 100 W топлина, която е поело. Теоретичните изчисления показват, че ефективността може да достигне 14%, като редица термоелектрически устройства ще имат практическо приложение при ефективност на преобразуване от 10%.

Учените съобщават за 6 необявявани досега съединения и успешно синтезиране на едно от тях, което дава висок коефициент на ефективност без използване на скъпи елементи.

“Открихме 6 недокументирани съединения и 5 от тях са стабилни с полу-Хойзлерова кристална структура. Полу-Хойзлер, базиран на p-тип TaFeSb – едно от съединенията, открити в това проучване, демонстрира многообещаваща термоелектрическа ефективност”, информира научният доклад.

Освен от университета в Хюстън, в проекта са взели участие и учени от университета в Мисури, Масачузетския технологичен институт, Пекинската национална лаборатория по физика на кондензираната материя към Китайската академия на науките, Югозападния университет в Чунцин, Института за метални материали в Дрезден, Университета по електронни науки и технологии на Китай и Шанхайския университет.

Въз основа на теоретични изчисления за прогнозиране на съединенията, които се очаква да имат високи термоелектрически показатели, учените могат да се съсредоточат към най-обещаващите съединения. Всъщност създаването на материали, образувани от тантал, желязо и антимон, проект на постдокторанти от университета в Хюстън с първи автори Хангтян Жу и Жун Мао, се оказва сложно за реализиране, отчасти защото съединенията имат много различни физически свойства.

Танталът например има точка на топене над 3000° С, докато точката на топене на антимона е 630°С. Танталът е твърд, докато антимонът е сравнително мек, което прави дъговото топене по-трудно. Съединението е образувано чрез комбинация от обработка в топкова мелница и горещо пресоване.

След като е образувано съединението, то притежава необходимите както физични, така и механични свойства, които осигуряват структурна цялост. Според учените използваните елементи са относително достъпни и евтини, което прави съединението рентабилно.

“Трябва да се отбележи, че внимателният експериментален синтез и изпитването на съединението струват скъпо, докато повечето теоретични изчисления, особено когато се прилагат във високоефективен режим, са сравнително евтини. В този смисъл би било полезно да се използват по-сложни теоретични изследвания за прогнозиране на съединенията, преди да се отделят усилия за внимателно експериментално изследване”, подчертават учените.