В последнее время учёные всё чаще проявляют интерес к преобразователям энергии. И, используя методы нанотехнологий, находят новые термоэлектрические материалы.
В термоэлектрических преобразователях энергии чаще всего используются полупроводники на основе теллурида висмута и теллурида свинца (Bi2Te3, PbTe). Правда, практическое применение этих материалов ограничено, ведь они содержат очень токсичные элементы - свинец и теллур.
А вот полупроводниковое соединение алюмината меди (CuAlO2) со структурой делафоссита вполне безопасно. Именно поэтому учёные-химики во всём мире, в том числе у нас в ЧелГУ, так увлечены проблемой изучения природы уникальных свойств алюмината меди.
Пока многие аспекты влияния параметров материала на термоэлектрические характеристики, например, химический состав, легирование, микро- и наноструктуры, остаются неясными. Но это пока!
Александр Макогон, ассистент кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов ЧелГУ: «Уже известно (и это видно на рисунке), что алюминат меди состава CuAlO2 имеет ромбоэдрическую структуру, характрную для кристаллов семейства делафоссита, где слои MI и MIIIO2 разделяют октаэдры MIII–O6. Каждый атом MI связан с двумя атомами кислорода, образуя гантели O–MI–O, расположенные параллельно оси С. Атомы кислорода данной гантели связывают все слои MI с слоями MIIIO2. С другой стороны, каждый оксидный ион в слое MIIIO2 образует «псевдотетраэдрическую координацию (MIII3MIO2)» с соседними ионами MI и MIII. Такая электронная конфигурация понижает несвязывающий характер ионов, формирующих соединение со структурой делафоссита и эффективно уменьшает размер сшивки ионов MI. Кроме того, в структуре низкое координационное число ионов MI из-за большой дистанции от атомов кислорода».
Недавно научной группе химиков ЧелГУ выдали патент на новый способ получения алюмината меди со структурой делафоссита. О том, что представляет собой CuAlO2 и каким был путь к его оригинальному и эффективному получению, мы поговорили с заведующей кафедрой химии твёрдого тела и нанопроцессов Еленой Белой.
- Елена Александровна, кто, кроме вас, находится в составе научной группы, работавшей над проблемой усовершенствования процесса получения алюмината меди?
- Исследование долгое время проводилось под руководством безвременно ушедшего в 2020 году профессора ЮУрГГПУ Валерия Викторова. Сейчас наш коллектив состоит из четырёх учёных, почти все – научные сотрудники кафедры химии твёрдого тела и нанопроцессов химического факультета ЧелГУ: доцент Игорь Ковалёв, ассистент кафедры, аспирант Александр Макогон, выпускница аспирантуры Мария Прокопенко и ваша покорная слуга.
- Чем привлекателен для исследователей и практиков алюминат меди, и где используется этот материал?
- Алюминат меди – один из наиболее перспективных наноструктурных материалов. Подобные многокомпонентные системы, получаемые модифицированием исходного материала и обладающие новыми свойствами, находят различные области применения. В частности, алюминат меди используется при создании разнообразных технических устройств, в том числе и в качестве термоэлектрических материалов. Прозрачные проводящие оксиды, в том числе CuAlO2, находят широкое применение в качестве прозрачных электродов в плоскопанельных дисплеях, солнечных элементах и сенсорных панелях.
- А в чём заключается преимущество этого материала?
- CuAlO2 со структурой делафоссита – полупроводник, относящийся к прозрачным проводящим оксидам с проводимостью p-типа, шириной запрещенной зоны ~3,5 эВ и с коэффициентом светопропускания в видимой области около 80 %. Никто не будет спорить с тем, что электрическая энергия удобна и универсальна по своему применению. Именно поэтому учёные до сих пор ищут новые эффективные методы её получения. В этой связи мы обратили внимание на твердотельные термоэлектрические преобразователи энергии, у которых есть ряд неоспоримых преимуществ перед традиционными электрическими генераторами: простая конструкция, отсутствие подвижных частей, бесшумная работа, высокая надёжность.
- С какими сложностями вам пришлось столкнуться в процессе научного поиска?
- Большая часть существующих на сегодняшний день прозрачных проводящих оксидов – это проводники с проводимостью n-типа. А вот приготовить бинарные оксиды металлов с проводимостью p-типа, такие как алюминат меди, очень трудно. Это связано с тем, ионы меди (Cu+) стремятся к окислению до меди (Cu2+) во время прокаливания. Процесс приводит, скорее, к разложению, чем к образованию однофазного материала. Мы провели массу экспериментов, меняя различным образом режим нагрева, и пришли к выводу, что он существенно влияет на фазовый состав конечного продукта, а значит, и на его свойства. В результате выяснили, что при постепенном нагреве образуется алюминат меди со структурой шпинели, а при резком – делафоссит. Мы поняли, что при синтезе делаффосита необходимо использовать тепловой удар. Это открытие и стало поводом для получения патента.
Патент № 2781013 зарегистрирован в Государственном реестре изобретений Российской Федерации 4 октября 2022 г.
Автор материала: Наталья Чанова
Фото: Фёдор Ярошенко
