Термоэлектрики - это материалы, которые могут преобразовывать тепло в электрическую энергию и наоборот. Исследовательская группа из Венского технологического университета (TU Wien) обнаружила, что сплав никеля и золота обладает потенциалом для создания улучшенных термоэлектрических материалов. Эти результаты были опубликованы в журнале Science Advances.
С самого начала использования термоэлектрических материалов в середине 20-го века, они нашли широкое применение в космической промышленности и повседневных устройствах. Однако их потенциал не ограничивается только этими областями. Термоэлектрические материалы могут быть использованы для преобразования отработанного тепла в зеленую электроэнергию, что является одним из потенциальных применений в промышленности.
Основой термоэлектрического эффекта является движение заряженных частиц от более горячей стороны материала к более холодной. Это создает электрическое напряжение, известное как термоэлектрическое напряжение, которое противодействует тепловому движению носителей заряда. Коэффициент Зеебека, названный в честь немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, определяет соотношение между термоэлектрическим напряжением и разницей температур, и является важным параметром для оценки термоэлектрических свойств материала.
«Хотя Зеебек обнаружил термоэлектрический эффект в обычных металлах более 200 лет назад, в настоящее время металлы вряд ли считаются термоэлектрическими материалами , поскольку они обычно имеют очень низкий коэффициент Зеебека», — объясняет Фабиан Гармруди, первый автор исследования.
С одной стороны, такие металлы, как медь, серебро или золото, обладают чрезвычайно высокой электропроводностью; с другой стороны, их коэффициент Зеебека в большинстве случаев исчезающе мал.
Один из ключевых факторов успеха в создании эффективных термоэлектрических материалов - это наличие дисбаланса между положительными и отрицательными зарядами, поскольку они компенсируют друг друга. Физики из Института физики твердого тела (TU Wien) обнаружили, что смешивание магнитного металла никеля с благородным металлом золотом может радикально изменить электронные свойства материала. При добавлении около 10% никеля, желтоватый цвет золота исчезает, и термоэлектрические характеристики материала быстро возрастают.
Особенностью этого усиленного эффекта Зеебека является энергозависимое поведение рассеяния электронов, которое отличается от полупроводниковых термоэлектриков. Это открытие может привести к разработке новых материалов с высокой проводимостью и исключительно большим коэффициентом Зеебека.
«Представьте себе гонку между двумя бегунами, где один человек бежит по свободной трассе, а другому приходится преодолевать множество препятствий. Конечно, человек на свободной трассе продвигается быстрее, чем соперник, которому приходится замедляться и меняться. направлении гораздо чаще», — говорит Андрей Пустогов, старший автор исследования потока электронов в металлических термоэлектриках.
В исследованных сплавах положительные заряды сильно рассеиваются электронами никеля, а отрицательные заряды могут двигаться практически беспрепятственно.
Сочетание чрезвычайно высокой электропроводности и одновременно высокого коэффициента Зеебека приводит к рекордным значениям коэффициента термоэлектрической мощности в сплавах никель-золото, которые значительно превосходят показатели традиционных полупроводников.
«При той же геометрии и фиксированном температурном градиенте можно было бы генерировать во много раз больше электроэнергии , чем в любом другом известном материале», — объясняет Фабиан Гармруди.
Кроме того, высокая плотность мощности может в будущем обеспечить возможность повседневного применения в крупномасштабном секторе.
«Уже при нынешних характеристиках умные часы, например, уже могут заряжаться автономно, используя тепло тела пользователя», — приводит в качестве примера Андрей Пустогов.
«Несмотря на то, что золото является дорогим элементом, наша работа представляет собой подтверждение концепции. Мы смогли показать, что не только полупроводники, но и металлы могут проявлять хорошие термоэлектрические свойства, что делает их актуальными для различных применений. Металлические сплавы имеют различные преимущества перед полупроводниками. , особенно в процессе производства термоэлектрического генератора», — объясняет Майкл Парзер, один из ведущих авторов исследования.
Тот факт, что исследователям удалось экспериментально показать, что сплавы никель-золото являются чрезвычайно хорошими термоэлектриками, не является совпадением.
«Еще до начала экспериментальной работы мы с помощью теоретических моделей рассчитали, какие сплавы наиболее подходят», — рассказывает Майкл Парцер.
В настоящее время группа также исследует других многообещающих кандидатов, которым не требуется дорогостоящий элемент золота.
Благодарю за чтение! Если понравилась статья, то предлагаю подписаться, будет ещё много таких. Есть мысли по предмету статьи и не только - приглашаю в комментарии. Также, если интересно, можете ознакомиться со страницами нашего проекта на других платформах, ссылки найдёте в описании канала. Кроме того, у меня есть страница на сервисе поддержки авторов Бусти, просто сообщаю, поддержка - дело добровольное, ссылка так же в описании канала.
Источники:
Фабиан Гармруди и др., Высокие термоэлектрические характеристики в металлических сплавах NiAu за счет межзонного рассеяния (Fabian Garmroudi et al, High thermoelectric performance in metallic NiAu alloys via interband scattering), Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adj1611