Эта художественная иллюстрация изображает уникальное расположение атомов в высокоэнтропийных термоэлектрических материалах. Благодаря включению разнообразной смеси элементов эти материалы получают доступ к обширному композиционному пространству, что позволяет настраивать электрические и фононные свойства, что повышает их термоэлектрические характеристики по сравнению с обычными термоэлектрическими материалами. Кредит: Bed Poudel
По словам группы под руководством ученых из Университета штата Пенсильвания, термоэлектрические генераторы, способные преобразовывать отработанное тепло в чистую энергию, вскоре могут стать такими же эффективными, как и другие возобновляемые источники энергии, например, солнечные.
Используя материалы с высокой энтропией, исследователи создали более эффективные термоэлектрические материалы, чем это было возможно ранее, и это достижение, по их словам, может даже помочь сделать возможным исследование космоса на большие расстояния. Они опубликовали свои результаты в журнале Joule.
Термоэлектрические устройства, включая радиоизотопные термоэлектрические генераторы, которые вырабатывают энергию для космических исследовательских аппаратов NASA, могут преобразовывать разницу температур в электричество. Когда их помещают рядом с источником тепла, например, паровой трубой на электростанции, носители заряда, такие как электроны, перемещаются с горячей стороны на холодную, создавая электрический ток.
Текущие коммерчески доступные устройства могут похвастаться эффективностью от 5% до 6%. Исследователи использовали свой новый подход к изготовлению для создания прототипа, который достиг эффективности преобразования 15%. Повышенная эффективность означает, что существующие устройства могут уменьшиться на 200% и по-прежнему производить ту же энергию, или устройство того же размера может производить 200% энергии, говорят исследователи.
«Эти результаты показывают новое направление в том, как мы можем улучшить термоэлектрические устройства, чтобы они стали действительно эффективными», — сказал Бед Пудель, профессор-исследователь кафедры материаловедения и инженерии в Университете штата Пенсильвания и соавтор исследования. «Наша работа открывает новый путь к созданию очень интересных термоэлектрических материалов и может привести к еще большим достижениям в будущих разработках материалов».
Ранее команда Penn State использовала полусплавы Гейслера — особый класс материалов, которые хорошо генерируют термоэлектрическую мощность при средне-высоких температурах — для улучшения производительности устройств. Эти материалы обычно представляют собой сплавы из трех металлических элементов, иногда с легирующими примесями или небольшим количеством других материалов, добавляемых для повышения производительности.
В новой работе ученые обратились к высокоэнтропийным полусплавам Гейслера. Эти сплавы, которые состоят как минимум из пяти основных элементов в единой кристаллической структуре, обладают теми же свойствами, что и полусплавы Гейслера, но улучшенными.
«В этой работе мы успешно интегрировали высокоэнтропийную инженерию в полусистему Гейслера», — сказал Вэньцзе Ли, доцент-исследователь в Университете штата Пенсильвания и соавтор исследования.
«С обычными соединениями у вас может быть 100 вариантов создания различных химических составов. Но когда мы используем концепцию высокоэнтропийной технологии, мы можем создать, возможно, тысячи химических составов, чтобы изменить свойства материала».
Ученые заявили, что использование высокоэнтропийных материалов с большим количеством атомов означает, что кристаллические структуры более неупорядочены, а носители заряда тратят больше времени на перемещение по материалу, что снижает его теплопроводность. Дополнительные атомы выбираются таким образом, чтобы материал поддерживал более высокий коэффициент мощности, меру того, насколько эффективно электрическая система может преобразовывать мощность в полезную работу.
«В этой концепции мы можем одновременно поддерживать высокий коэффициент мощности и получать низкую теплопроводность, чтобы максимизировать показатель добротности, который является мерой эффективности материалов», — сказал Субрата Гош, постдокторант в Университете штата Пенсильвания и ведущий автор исследования.
«Высокоэнтропийная инженерия может быть объединена с традиционными подходами для дальнейшего улучшения показателя качества в любом классе термоэлектрических материалов».
Новый термоэлектрический материал достиг рекордно высокого показателя качества 1,50 при изменении температуры на 1060 градусов Кельвина, или примерно на 1448 градусов по Фаренгейту. Это на 50% больше, чем у современных передовых материалов, заявили ученые.
«Материалы с высокой энтропией часто используются в высокотемпературных огнеупорных устройствах, таких как реактивные двигатели или гиперзвуковые летательные аппараты, но это первый случай, когда они были использованы для разработки превосходной полугейслеровской термоэлектрической системы», — сказал Ли.
Работа имеет значение для создания более эффективных устройств для рекуперации отработанного тепла в промышленных условиях. Рекуперация этого отработанного тепла и его использование для производства электроэнергии может сократить потребление ископаемого топлива. А поскольку у них нет движущихся частей и они не производят никаких химических реакций или выбросов, термоэлектрические устройства предлагают многообещающий источник чистой энергии, говорят ученые.
Термоэлектрические устройства напоминают стол с двумя ножками — одна ножка сделана из полупроводникового материала p-типа, а другая — из полупроводникового материала n-типа. Текущее исследование применимо только к материалу p-типа, и ученые заявили, что дальнейшая работа по применению этого к n-типу может привести к дополнительному повышению эффективности.
«Если мы сможем внедрить это в более широкий класс термоэлектрических материалов и продолжить получать хорошие показатели качества, мы действительно сможем поднять эффективность преобразования до 20% или более», — сказал Пудель.
«Это было бы очень конкурентоспособно с солнечной энергией или другими технологиями для твердотельной генерации энергии. Это захватывающая часть — посмотреть, к чему это может привести в будущем развитии материалов».
Дополнительная информация: Субрата Гош и др., Сплавы полу-Гейслера с высокой энтропией повышают термоэлектрические характеристики, Джоуль (2024). DOI: 10.1016/j.joule.2024.08.008
Информация о журнале: Джоуль Предоставлено Университетом штата Пенсильвания
