В ДВФУ предложили новый материал-термоэлектрик, способный превратить тепло в электричество

Молодые ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) разработали концепт и создали образцы нового материала-термоэлектрика — бифазную нанокерамику на основе титаната стронция SrTiO₃ и оксида титана TiO₂. С её помощью можно преобразовать бросовое тепло, которое составляет до 60 процентов всего теплообмена и, как правило, списывается на потери, в электрическую энергию, а также защитить от перегрева изделия, эксплуатируемые при температуре более 1000°С. Статья об этом опубликована в спецвыпуске «Advanced thermoelectric materials» авторитетного издания «Materials».

Ученые ДВФУ в сотрудничестве с сотрудниками Института химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ДВО РАН) уже получили первые экспериментальные образцы бифазной нанокерамики. Материал обладает высокой механической прочностью, термической и химической стойкостью, в настоящее время ученые тестируют его термоэлектрические свойства.

«Многие технологические процессы сопровождаются выделением бросового тепла при высоких температурах. Например, даже температура внешней поверхности выхлопной трубы может составлять около 700°C. При таких условиях возрастает вероятность термического разрушения широко распространённых термоэлектриков на основе теллурида висмута Bi₂Te₃ и теллурида свинца PbTe, что несёт за собой риски загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами. Поэтому перед нами стояла задача разработать качественный термоэлектрик, устойчивый к высоким температурам и химически стабильный», — рассказал научный сотрудник Школы естественных наук ДВФУ Алексей Завьялов, предложивший состав новой керамики.

Учёными ДВФУ предложена двухфазная керамическая система на основе оксидов металлов: титаната стронция SrTiO₃ и оксида титана TiO₂. Именно оксиды обладают высокой термической и химической стойкостью при температурах свыше 1000°С, но сами по себе не отличаются высокими термоэлектрическими характеристиками. Бифазная структура и наноразмер зерен способствуют существенному повышению термоэлектрической эффективности.

Высокая плотность и механическая прочность материала, критически малый (наномасштабный) размер зерен и высокая концентрация межзеренных границ — важные характеристики для термоэлектрика в условиях экстремальных температур — были достигнуты за счёт высокоскоростной консолидации нанопорошков под давлением — реакционного искрового плазменного спекания.

«Новый материал необходим не только для вторичной переработки бросового тепла, но и как компонент высокотехнологических приложений: выполняя роль «активного» теплового буфера, нанокерамика TiO₂−SrTiO₃ может увеличить срок службы и пиковые характеристики изделий, которые эксплуатируются при температурах более 1000°С», — рассказал старший научный сотрудник Центра НТИ ДВФУ, руководитель группы разработчиков новой керамики Денис Косьянов.

В 2018 году группа молодых учёных ДВФУ выиграла грант Российского фонда фундаментальных исследований на разработку новых материалов для лазерной техники на основе гетероструктур «оптическая керамика — термоэлектрик». Разработка концепции новой керамики — один из результатов работы по гранту.

В ДВФУ действует приоритетный проект «Материалы» и открыт Центр НТИ по нейротехнологиям, технологиям виртуальной и дополненной реальности (грант от 16 октября 2018 г. № 1/1251/2018), где в числе прочего исследователи разрабатывают научно-технические основы многофункциональных керамических материалов, применять которые можно в микроэлектронике, осветительной технике и радиохимии.

###

Исследования выполнены в рамках гранта Российского фонда фундаментальных исследований (18-29-11044).

Научная статья: https://www.mdpi.com/1996-1944/12/18/2895

Пресс-служба ДВФУ,
press@dvfu.ru