Am NITU "MISiS" wurde eine kostengünstige Methode zur schnellen Synthese hocheffizienter thermoelektrischer Materialien entwickelt

Published on June 15, 2017

Am NITU "MISiS" wurde eine kostengünstige Methode zur schnellen Synthese hocheffizienter thermoelektrischer Materialien entwickelt

    Die Mitarbeiter des Zentrums für Energieeffizienz NITU "MISiS" haben eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit entwickelt, das Material herzustellen, aus dem leistungsstarke thermoelektrische Generatoren für Raumfahrzeuge hergestellt werden. Solches Material ist in der Lage, Wärmeenergie direkt in elektrische Energie umzuwandeln. Der Artikel mit den veröffentlichten Ergebnissen im Journal of Materials Chemistry A .

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    Leiter des Zentrums für Energieeffizienz am NITU „MISiS“, Doktor der Physik und Mathematik, Professor Vladimir Vasilievich Khovailo.

    Der Effekt der Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie wurde 1821 vom deutschen Physiker Thomas Seebeck entdeckt. Die Technologien, die es ermöglichen, den Seebeck-Effekt im industriellen Maßstab zu nutzen, sind jedoch noch lange nicht perfekt - die Menschheit lernt nur, wie man thermoelektrische Materialien erzeugt, und die meisten Entwicklungen sind noch nicht aus dem Labor hervorgegangen. Jedoch thermoelektrische Materialienaktiv in der Energie- und Kältetechnik eingesetzt. Thermoelektrische Generatoren, die aus der Wärme des radioaktiven Zerfalls arbeiten, sind in so weltberühmten Raumfahrzeugen wie Cassini installiert, die die Umgebung von Saturn untersuchen, und New Horizon, das Pluto und den Kuipergürtel überwacht. Der elektrische Generator des Rovers Curiosity arbeitet nach dem gleichen Prinzip. Es gibt allgemeinere Beispiele: Zum Beispiel die Erzeugung von Elektrizität aus Wärme, die durch die Elemente der Abgasanlage eines Autos übertragen wird. Es werden auch thermoelektrische Generatoren entwickelt, die den Wirkungsgrad verschiedener Kraftwerkstypen verbessern können.

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    Mikrofotografie von CoSb3-Kristallen mit Indiumeinschlüssen (Skala - 10 Mikrometer)

    Das von den Wissenschaftlern von NUST „MISiS“ erstellte Material wird die Entwicklungslinie der Universität für Weltraum ergänzen.

    "Wir arbeiten aktiv mit Vertretern der Luft- und Raumfahrtindustrie zusammen ", sagte Alevtina Chernikova, Rektorin der NITU "MISiS" . - Derzeit führen Wissenschaftler unserer Universität rund dreißig Forschungsprojekte im Auftrag der Luft- und Raumfahrtindustrie durch. Einschließlich der United Aircraft Corporation, die daran interessiert ist, eine Reihe von Universitätsentwicklungen umzusetzen, um die strategischen Aufgaben des Unternehmens zu lösen. “

    Die thermoelektrischen Materialien, die bei NITU „MISiS“ erhalten werden, kombinieren zwei „Arten“ von Atomen: starr an den Gitterplätzen fixiert, was eine hohe elektrische Leitfähigkeit bietet und frei schwingt, was die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduziert, da Atome, die schwach mit dem Kristallgerüst verbunden sind, Wärme effizient ableiten. Diese Kombination wurde erreicht, indem intermetallische Verbindungen erzeugt wurden, deren Kristallstruktur Hohlräume enthielt. Wenn sie mit "Gast" -Atomen gefüllt werden, ohne das Kristallgitter zu durchbrechen, erhalten die Wissenschaftler die erforderliche Kombination von Eigenschaften. Je höher die elektrische Leitfähigkeit des erhaltenen Stoffes und je niedriger die Wärmeleitfähigkeit ist, desto höher ist der Schlüsselparameter der thermoelektrischen Werkstoffe - die thermoelektrische Gütezahl.

    Eines der vielversprechendsten Materialien war Scutterudit - Cobalt und intermetallische Antimonverbindungen - CoSb3. Der maximale Qualitätsfaktor tritt bei diesem Material bei einem Temperaturunterschied der Oberflächen von 400-500 Grad auf. Zum Vergleich: Im bekanntesten thermoelektrischen Material - Wismuttellurid - tritt das Maximum bei einer Temperaturdifferenz von 100-150 Grad auf und erreicht den Wert ZT = 1,2.

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    Aufnahme von CoSb3-Kristallen mit Indiumeinschlüssen (Maßstab - 5 Mikrometer)

    Um beim Antimon-Kobalt-System eine hohe Qualität zu erzielen (ZT = 1,4), müssen Seltenerdelemente wie Ytterbium als Einschlussmetall verwendet oder zwei teure Metalle gleichzeitig kombiniert werden. Eine gute Qualität von 1,8 wurde nur durch Einführen von Atomen dreier verschiedener Metalle in das Kristallgitter erhalten.

    „Wir konnten das Problem lösen, indem wir Indium als Füllstoff verwendeten und das Anfangsverhältnis von Metallen auswählten, wodurch wir die gewünschte thermoelektrische Zusammensetzung in einem offenen Reaktor synthetisieren konnten“, sagt Andrei Voronin, Mitglied des Forschungsteams, ein Mitarbeiter des Zentrums für Energieeffizienz, NITU MISiS . „ Dank dieses Ansatzes konnten wir die Synthese in nur zwei Minuten in einem offenen Reaktor durchführen und die resultierende Probe anschließend 5 Stunden lang tempern. Die Kombination des verwendeten Materials und der Merkmale des Syntheseverfahrens hat den Herstellungsprozess um ein Dutzend Mal beschleunigt, was sich auch auf die Kosten der Gewinnung solcher Materialien auswirkt. Gleichzeitig wurden die erhaltenen Werte für den thermoelektrischen Wirkungsgrad von ZT = 1,5 Stahl für Skutterudit mit einem Typ von "Gast" -Atomen aufgezeichnet..

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    Andrei Voronin, Mitarbeiter am Zentrum für Energieeffizienz am NITU „MISiS“, vor dem Hintergrund einer Funken-Sinter-Elektroanlage

    . Sie umfassten eine zweiwöchige Synthese des Reaktionsgemisches in Vakuumampullen. Es ist sehr schwierig, ein solches Material auf andere Weise zu erhalten, da Antimon ein flüchtiges Metall ist. Und während des langfristigen Schmelzens kann das Verdampfen von Antimon zur Bildung eines unerwünschten Nebenprodukts führen - der CoSb2-Phase, die hinsichtlich der Thermoelektrizität völlig unbrauchbare Eigenschaften aufweist.