Международная команда ученых синтезировала новый термоэлектрический сплав на основе железа, ванадия и сурьмы, модифицированный тяжелыми металлами. Такая модификация позволила более чем в два раза увеличить эффективность преобразования тепла в электричество. Разработка может найти применение как в промышленности, так и в системах умного дома.
Сурьма / ©Getty images
Исследование было опубликовано в журнале Journal of Alloys and Compounds. Термоэлектрики – это материалы, сплавы металлов или различные химические соединения, которые способны напрямую преобразовывать тепловую энергию в электрическую. Термоэлектрические материалы могут использоваться, например, в гибридных системах совместно с солнечными батареями, дополнительно преобразуя образовавшееся от нагрева тепло в электроэнергию. Такую схему можно использовать, например, в системе умного дома.
Эффективность таких материалов напрямую зависит от фактора мощности, электро- и теплопроводности. Чем выше фактор мощности и электропроводность, и ниже теплопроводность, тем лучше, эффективнее материал. Однако добиться оптимального баланса достаточно непросто.
В последнее десятилетие наблюдается заметный рост внимания исследовательского сообщества к так называемым половинным сплавам Гейслера. Они представляют собой тройные соединения, состоящие, как правило, из металлов. Благодаря своим электротранспортным свойствам, термической стабильности, а также широкому ряду комбинаций элементов, которые могут быть использованы при их синтезе, такие сплавы показали себя как одни из наиболее перспективных термоэлектрических материалов.
Одними из наиболее перспективных считаются тройные на основе железа, ванадия и сурьмы. Однако они обладают высокой теплопроводностью, что ограничивает их использование в этом качестве. Ученые из НИТУ «МИСиС», Университета Сохаг, Университета имени Короля Сауда и МГУ имени М. В. Ломоносова предложили метод снижения теплопроводности таких сплавов путем тройного легирования матрицы тяжелыми металлами, такими как гафний, титан и ниобий. В ходе исследования опытные сплавы были синтезированы путем плавления с последующим размолом и спеканием. Термоэлектрические свойства полученных образцов затем образцов были исследованы при температурах от 27 до 527 градусов Цельсия.
«Исследование показало, что легирование сплавов Гейслера на основе железа и сурьмы гафнием, титаном и ниобием позволяет значительно снизить решеточную теплопроводность сплава при комнатной температуре, вплоть до 80 процентов. При этом удается также добиться увеличения электропроводности и, что самое главное, фактора мощности. Все это позволило увеличить термоэлектрическую эффективность исследуемых сплавов. Так, эффективность преобразования тепла в электричество увеличилась практически в два раза при комнатной температуре.
При более высоких температурах увеличение еще более значимое по сравнению с нелегированным (чистым) сплавом. В целом можно сказать, что сплавы на основе железа, ванадия и сурьмы, легированные тяжелыми металлами имеют широкие перспективы применения для создания стабильных устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую», – отметил Андрей Новицкий, инженер научно-образовательного Центра «Энергоэффективность» НИТУ «МИСиС».
