NITU MISiS telah mengembangkan metode ekonomis untuk sintesis cepat bahan termoelektrik yang sangat efisien

Karyawan dari Pusat Efisiensi Energi NUST "MISiS" telah mengembangkan cara yang ekonomis dan cepat untuk menghasilkan bahan dari mana generator termoelektrik berkinerja tinggi untuk pesawat ruang angkasa dibuat. Bahan seperti itu mampu secara langsung mengubah energi panas menjadi energi listrik. Sebuah artikel dengan hasil karya itu diterbitkan dalam Journal of Materials Chemistry A.


Kepala Pusat Efisiensi Energi, NUST “MISiS”, Doctor of Philosophy, Profesor Vladimir Vasilievich Hovaylo.

Efek mengubah energi panas menjadi energi listrik ditemukan kembali pada tahun 1821 oleh fisikawan Jerman Thomas Seebeck. Namun, teknologi yang memungkinkan efek Seebeck untuk digunakan pada skala industri masih jauh dari sempurna - manusia hanya belajar membuat bahan termoelektrik, dan sebagian besar perkembangan belum meninggalkan laboratorium. Namun, bahan termoelektrik aktif digunakan dalam energi, unit pendingin. Generator termoelektrik yang ditenagai oleh panasnya peluruhan radioaktif dipasang pada pesawat ruang angkasa terkenal di dunia seperti Cassini, yang mempelajari lingkungan Saturnus, dan New Horizon, yang menjelajahi Pluto dan sabuk Kuiper. Pada prinsip yang sama, generator listrik rover Curiosity beroperasi. Ada lebih banyak contoh biasa: misalnya, menerima listrik dari panas yang ditransmisikan melalui unsur-unsur sistem pembuangan mobil. Pengembangan generator termoelektrik yang mampu meningkatkan efisiensi berbagai jenis pembangkit listrik juga sedang berlangsung.


Mikrograf kristal CoSb3 dengan inklusi indium (skala - 10 mikrometer)

Materi yang dibuat oleh para ilmuwan dari NUST "MISiS" akan mengisi garis pengembangan universitas untuk ruang.

"Kami secara aktif bekerja sama dengan perwakilan dari industri penerbangan dan luar angkasa, " kata Rektor NUST "MISiS" Alevtina Chernikova . - Saat ini, para ilmuwan di universitas kami melakukan sekitar tiga puluh proyek penelitian yang ditugaskan oleh industri dirgantara. Termasuk dengan United Aircraft Corporation, yang tertarik untuk memperkenalkan sejumlah pengembangan universitas untuk menyelesaikan tugas strategis perusahaan. "

Bahan termoelektrik yang diperoleh di NUST MISiS menggabungkan dua "jenis" atom: dengan kaku dipasang pada simpul kisi kristal, yang memberikan konduktivitas listrik yang tinggi, dan bergetar bebas, yang secara tajam mengurangi konduktivitas termal, karena atom yang berikatan lemah dengan bingkai kristal secara efisien membuang panas. Kombinasi ini dicapai dengan membuat senyawa intermetalik yang struktur kristalnya mengandung rongga. Mengisi mereka dengan atom "tamu" tanpa memecahkan kisi kristal, para ilmuwan mendapatkan kombinasi sifat yang diperlukan. Semakin tinggi konduktivitas listrik dari bahan yang dihasilkan dan semakin rendah konduktivitas termal, semakin tinggi parameter kunci dari bahan termoelektrik - angka termoelektrik dari jasa.

Salah satu bahan yang paling menjanjikan adalah senyawa scutterudite - cobalt dan antimony intermetallic - CoSb3. Faktor kualitas maksimum terjadi pada bahan ini dengan perbedaan suhu permukaan 400-500 derajat. Sebagai perbandingan, dalam bahan termoelektrik paling terkenal - bismuth telluride, maksimum terjadi pada perbedaan suhu 100-150 derajat dan mencapai nilai ZT = 1.2.


Mikrograf kristal CoSb3 dengan inklusi indium (skala - 5 mikrometer)

Untuk mencapai faktor kualitas tinggi dalam kasus sistem antimon-kobalt (ZT = 1.4), perlu untuk menggunakan unsur tanah jarang, misalnya, ytterbium, sebagai logam atau untuk menggabungkan dua logam mahal sekaligus. Dan faktor kualitas 1,8 diperoleh hanya dengan memasukkan atom dari tiga logam yang berbeda ke dalam kisi kristal.

"Kami berhasil memecahkan masalah dengan menggunakan indium sebagai pengisi dan memilih rasio awal logam, yang memungkinkan kami untuk mensintesis komposisi termoelektrik yang diinginkan dalam reaktor terbuka ," kata Andrey Voronin , anggota kelompok ilmiah, karyawan Pusat Efisiensi Energi NUST MISiS . " Berkat pendekatan ini, kami dapat melakukan sintesis dalam reaktor terbuka hanya dalam dua menit, diikuti dengan anil sampel yang dihasilkan selama 5 jam." Kombinasi bahan yang digunakan dan fitur dari proses sintesis mempercepat proses pembuatan beberapa puluh kali, yang juga mempengaruhi biaya untuk mendapatkan bahan tersebut. Selain itu, nilai-nilai termoelektrik yang diperoleh dari jasa ZT = 1,5 menjadi pemecahan rekor untuk skutterudites dengan satu jenis atom "tamu" .


Andrei Voronin, karyawan Pusat Efisiensi Energi, Universitas Nasional Sains dan Teknologi "MISiS" dengan latar belakang penggelaran percikan listrik

Seperti yang dikatakan oleh penulis karya baru tersebut, skema yang diusulkan sebelumnya untuk memproduksi bahan termoelektrik mahal bukan hanya karena logam yang digunakan. Mereka termasuk sintesis dua minggu dari campuran reaksi dalam ampul vakum. Sangat sulit untuk mendapatkan bahan tersebut dengan cara lain karena fakta bahwa antimon adalah logam yang mudah menguap. Dan selama pencairan yang berkepanjangan, penguapan antimon dapat menyebabkan pembentukan produk sampingan yang tidak diinginkan, fase CoSb2, yang memiliki karakteristik yang sama sekali tidak berguna dari sudut pandang thermoelectricity.