Химики МГУ узнали, как улучшить свойства экологичных термоэлектриков
Исследование механизма работы нетоксичных термоэлектриков на основе соединений меди и халькогенов, результаты которого помогут улучшить их термоэлектрические свойства, провели сотрудники кафедр неорганической химии и радиохимии химфака МГУ, 27 ноября сообщает пресс-служба университета.
Нетоксичность этих изученных соединений позволяет их промышленное использование, например, для повышения эффективности работы двигателей электромобилей.
Особенностью термоэлектрических материалов является их способность преобразовывать разность потенциалов в разницу значений температуры и наоборот. Поэтому их можно использовать как для охлаждения чего-либо электрическим током, так и для перевода тепла, образующегося в процессе работы какого-либо электрического устройства, снова в электричество.
Например, используя преобразователь на основе таких материалов, можно увеличить эффективность работы автомобильных двигателей, возвращая энергию образующегося тепла обратно в электросистему автомобиля.
Руководитель исследования, завкафедрой неорганической химии химфака МГУ, д. х. н., профессор, член-корреспондент РАН Андрей Шевельков пояснил суть решаемой ими проблемы:
«Сейчас использование соединений с термоэлектрическими свойствами в автомобильной промышленности ограничено. Это обусловлено тем, что в их состав входят редкий и дорогой теллур, а также высокотоксичный свинец. Использование таких элементов очень вредит экологии, поэтому существует потребность в нетоксичных, но при этом не менее эффективных новых материалах».
В качестве таких новых термоэлектрических материалов были выбраны халькогениды меди — соединения меди с серой и селеном, поскольку они не токсичны, встречаются в природе в виде разнообразных минералов, легко производятся и при некоторой оптимизации показывают хорошие термоэлектрические свойства.
Как отметил Андрей Шевельков, для оптимизации свойств сначала нужно понять механизм термоэлектрической «работы» соединений:
«Мы решили выяснить, какие процессы помогают этим соединениям, а точнее их синтетическим аналогам демонстрировать хорошие термоэлектрические показатели. В данной работе мы подробно исследовали процесс электронных корреляций между железом и медью в различных степенях окисления».
В результате исследователи установили, что эти термоэлектрические материалы «работают совсем не так, как используемые в промышленности. Хотя концентрация носителей заряда (электронов или дырок) в них на порядок меньше, они высокоэффективны именно за счет другого механизма, основанного на „прыжках“ носителей заряда между катионами меди и железа».
Ученые с помощью нескольких взаимодополняющих методов выявили механизм обмена электронами между железом и медью. Полученные данные позволяют использовать новые соединения в составе термоэлектрических устройств. Кроме того, ими было установлено оптимальное соотношение элементов, при котором возможно достижение высочайших термоэлектрических характеристик.
Результаты проделанной работы коллектив исследователей представил в статье, опубликованной в журнале Compounds.
Продолжая работу по улучшению термоэлектрических свойств исследуемых соединений, авторы намерены произвести частичную замену некоторых элементов в структуре предлагаемого материала, а также ввести в его состав другие компоненты.
