Ученые НИТУ МИСИС разработали новый метод создания термоэлектрических материалов, предназначенных для преобразования тепловой энергии, выделяемой в промышленности, в электрическую. Эта инновация одновременно повышает энергоэффективность производственных процессов и снижает воздействие на окружающую среду.
Промышленное тепло, обычно теряемое в окружающей среде, представляет собой значительный энергетический ресурс. Новые технологии позволяют улавливать и преобразовывать его в электричество с использованием термоэлектрических материалов, которые работают в разных температурных диапазонах: низком (до 575 K), среднем (575–925 K) и высоком (свыше 925 K). Если первые два типа материалов уже активно применяются, то высокотемпературные термоэлектрики остаются предметом научных исследований.
Специалисты предложили использовать материалы на основе перовскита манганита кальция с добавлением марокита. Эти материалы обладают улучшенными термоэлектрическими свойствами при высоких температурах благодаря контролируемой пористости (10–22%) и оптимизированной структуре, что повышает их тепловую и электрическую проводимость.
«Термоэлектрические материалы должны быть устойчивыми к высоким температурам, доступными по стоимости и экологически безопасными. Этим требованиям лучше всего соответствуют оксидные термоэлектрики, которые могут быть как электронными, так и дырочными проводниками. Комбинируя материалы с разными типами проводимости, можно создавать эффективные модули для повышения производительности термоэлектрических устройств», — отметил руководитель проекта, к.т.н. Сергей Юдин, ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
Ученые из НИТУ МИСИС предложили инновационный метод создания материалов, который включает молекулярное смешение химических веществ с равномерным распределением ионов в растворе. Полученная жидкость преобразуется в аэрозоль, капли которого поступают в зону локального нагрева реактора. Там происходит их контролируемое горение, формирующее уникальные микроструктуры, такие как полые или пористые сферы с заданными характеристиками стенок и пор. Этот процесс исключает промежуточные стадии обработки, упрощая производство. Полученный порошок затем уплотняется и спекается при высоких температурах, что способствует образованию новых фаз и улучшению ключевых свойств материала для термоэлектрической эффективности.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of the European Ceramic Society (Q1).
«Наша методика позволяет точно регулировать морфологию и состав материалов. Она обеспечивает рекордную эффективность преобразования тепловой энергии в электричество для перовскита манганита кальция благодаря уникальному сочетанию пористости, фазового состава и равномерности структуры. В отличие от традиционных подходов, мы исключаем длительный высокотемпературный обжиг, что делает процесс более энергоэффективным и подходящим для масштабного применения», — отметила Жанна Ермекова, PhD, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСИС.
В будущем исследователи планируют изучить оптимальные концентрации компонентов, влияние различных добавок на термоэлектрические свойства материалов и разработать более эффективные и стабильные композиты для высокотемпературных применений.
Проект реализован при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-79-10278).
Источник : Пресс-служба НИТУ МИСИС
