Ученые НИТУ «МИСиС» разработали сверхбыстрый способ получения термоэлектрического материала, способного напрямую преобразовывать тепло в электричество. Соединение на основе сложного оксида металлов было получено в 7 раз быстрее, чем во всех ранее представленных мировых экспериментах. Используемый в работе метод открывает перспективы промышленного получения порошков термоэлектрических материалов и создания на их основе устройств, которые, например, могут одновременно заряжать гаджеты и обогревать помещения.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в международном научном журнале Material Letters.

Термоэлектрики – особый класс материалов, с помощью которых можно напрямую преобразовывать тепло в электричество, минуя этап превращения тепловой энергии в механическую, как на обычных теплоэлектростанциях. На основе термоэлектрических материалов можно создавать устройства нового поколения энергетики. Например, это может быть рекуператор, позволяющий использовать бросовое тепло выхлопной системы автомобиля для снижения расхода топлива.

Ключевая проблема – найти оптимальный состав и получить сами термоэлектрики, которые были бы эффективны и при этом устойчивы к высоким температурам порядка 600 – 900 °C, не деградировали и не окислялись в процессе жестких режимов работы.

Коллектив НОЦ энергоэффективности НИТУ «МИСиС» активно исследует термоэлектрические материалы на основе сложных оксидов металлов, в частности, соединения на основе висмута, меди и селена. Он показывает хорошие характеристики эффективности в качестве преобразователя энергии, при этом стабилен к воздействию высоких температур и не подвержен окислению, а значит, способен работать надежно и долго.

Разумеется, имеется и существенный минус – материал сложно получить, классическим методом, так называемым твердофазным синтезом. Смесь необходимых исходных компонентов запаивают в герметичной кварцевой ампуле и помещают в печь, где компоненты спекаются в течение нескольких дней при температурах 300 – 700 °С до получения готового термоэлектрического материала. Однако, затраченные при такой процедуре ресурсы, делают способ нерентабельным для промышленного применения.

Ученые НИТУ «МИСиС» в процессе серии экспериментов нашли альтернативу – это механическое сплавление в высокоэнергетической планетарной мельнице –распространенном приборе для тонкого измельчения материалов, аналоги которого есть на современных производствах.

В ходе опытов в планетарную мельницу загружали порошки исходных веществ — оксида висмута, чистого висмута, меди и селена и применяли интенсивное механическое воздействие без высоких температур. В итоге получился однородный порошок химического состава BiCuSeO, то есть полностью синтезированный материал с нужными характеристиками.

«В финале целой серии экспериментов нам удалось найти оптимальное сочетание режимов скорости и времени механического сплавления, которое позволило получить порошок BiCuSeO в рекордно короткий срок – порядка 60 минут, при том, что все мировые аналоги подобных экспериментов в лучшем случае позволяли осуществить синтез за 7-13 часов», — рассказывает один из авторов работы, инженер НОЦ энергоэффективности, к.ф.-м.н. Андрей Новицкий.

Простота метода и достигнутая скорость получения материала, по словам ученых, позволят масштабировать технологию на современных химических производствах.

Одним из возможных устройств, которое можно создать на основе полученного термоэлектрического материала, является универсальная компактная печь «3 в 1» для применения на даче, в лесу, в тайге и других местах, где доступ к электричеству и теплу затруднен. Это небольшая печка, которая сможет топиться дровами, обогревать помещение, служить плитой на приготовления пищи и одновременно вырабатывать электричество мощностью порядка 50 Вт – достаточное для зарядки всех персональных гаджетов.

В настоящее время коллектив ведет работы по адаптации технологии под конкретные производства.

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ №19-79-10282 «Физико-химические основы сверхбыстрого получения термоэлектрических материалов».