Во времена, когда энергии не хватает и изучаются устойчивые способы производства энергии, термоэлектрические материалы рассматриваются для производства электроэнергии для преобразования отработанного тепла в электричество. Однако, чтобы сделать это преобразование более эффективным и, следовательно, применимым в промышленных масштабах, необходимо лучшее понимание функциональных и структурных свойств материалов.
Исследовательская группа во главе с Институтом Макса Планка для Eisenforschung (MPIE) теперь смогла настроить микроструктуру многообещающего нового термоэлектрического материала для эффективного преобразования энергии. Команда опубликовала свои результаты в журнале Advanced Energy Materials .
Настройка термоэлектрических свойств с помощью проектирования границ зерен
Предыдущие исследования показали, что структура и состав границ зерен имеют решающее значение для тепло- и электропроводности термоэлектрических материалов . Обычно границы зерен снижают как тепло-, так и электропроводность материала, при этом желательно иметь низкую теплопроводность, но высокую электропроводность .
Цель исследователей из MPIE, Северо-Западного университета (США) и Института исследования твердого тела и материалов им. Лейбница в Дрездене (Германия) состояла в том, чтобы модифицировать границы зерен таким образом, чтобы снижалась только теплопроводность, а их электропроводность оставалась высокой. Они использовали полугейслеровский интерметаллид NbFeSb, легированный Ti, — недавно разработанный, но многообещающий термоэлектрический сплав.
Он имеет отличные термоэлектрические свойства при средних и высоких температурах, хорошую термическую и механическую прочность, а его элементы содержат большое количество земли и являются безопасными.
«Мы использовали передовые методы характеризации, такие как сканирующая просвечивающая электронная микроскопия и атомно-зондовая томография, чтобы раскрыть микроструктуру сплавов вплоть до атомного масштаба. Наш анализ показал, что химию и атомное расположение границ зерен можно настроить для разработки электронных и тепловых характеристик. транспортные свойства», — говорит Рубен Буэно Виллоро, докторант независимой исследовательской группы «Наноаналитика и интерфейсы» в MPIE и первый автор публикации.
Поскольку размер зерна мал, увеличенное количество границ зерен значительно снижает электропроводность. «Благодаря легированию сплава титаном мы обнаружили, что границы зерен становятся богатыми титаном и теряют сопротивление, поэтому мы можем в полной мере использовать выгодную низкую теплопроводность , обеспечиваемую малым размером зерна», — объясняет д-р Сиюань Чжан, руководитель проекта в та же исследовательская группа и соответствующий автор публикации.
После демонстрации стратегии проектирования границ зерен исследователи изучают новые способы выборочного легирования границ зерен. Связывая функциональные свойства с атомарными структурами критических особенностей микроструктуры, таких как границы зерен, группа исследователей разрабатывает новые принципы проектирования материалов, имеющих решающее значение для устойчивого будущего.
