Механизм работы экологичных термоэлектриков выяснили химики МГУ

2398
27.11.2023, 18:45

Сотрудники кафедр неорганической химии и радиохимии химического факультета МГУ изучили механизм работы нетоксичных термоэлектриков на основе соединений меди и халькогенов (серы и селена). Полученные данные помогут улучшить термоэлектрические свойства минералов, а их нетоксичность открывает путь к промышленному использованию изученных соединений. Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. Исследование профинансировано Министерством науки и высшего образования Российской Федерации, проект № 075-15-2021-1353. Результат опубликован в журнале Compounds.

Термоэлектрические материалы способны преобразовывать друг в друга разность потенциалов и разницу значений температуры. Их можно использовать как для принудительного охлаждения электрическим током, так и для перевода отработанного тепла в электричество. Так можно, например, увеличить эффективность работы автомобильных двигателей, возвращая энергию уходящего тепла обратно в систему.

«Сейчас использование соединений с термоэлектрическими свойствами в автомобильной промышленности ограничено, – рассказал руководитель исследования, заведующий кафедрой неорганической химии Химического факультета МГУ, д.х.н., профессор, член-корреспондент РАН Андрей Шевельков. – Это обусловлено тем, что в их состав входят редкий и дорогой теллур, а также высокотоксичный свинец. Использование таких элементов очень вредит экологии, поэтому существует потребность в нетоксичных, но при этом не менее эффективных новых материалах».

Новые материалы для термоэлектрики основаны на халькогенидах меди – соединениях меди и элементов 16-й группы периодической системы (серы и селена). Такие соединения встречаются в природе в виде разнообразных минералов. Как правило, они не содержат токсичных элементов, легко перерабатываются и при оптимизации демонстрируют хорошие термоэлектрические свойства.

«Чтобы оптимизировать свойства, нужно разобраться в механизме «работы» соединений, – объяснил Андрей Шевельков. – Мы решили выяснить, какие процессы помогают этим соединениям, а точнее их синтетическим аналогам демонстрировать хорошие термоэлектрические показатели. В данной работе мы подробно исследовали процесс электронных корреляций между железом и медью в различных степенях окисления. Выяснилось, что наши термоэлектрические материалы работают совсем не так, как используемые в промышленности. Хотя концентрация носителей заряда (электронов или дырок) в них на порядок меньше, они высокоэффективны именно за счет другого механизма, основанного на «прыжках» носителей заряда между катионами меди и железа».

Используя различные взаимодополняющие методы, авторы установили механизм обмена электронами между железом и медью, что дает возможность применять данные соединения в составе термоэлектрических устройств. Также удалось определить оптимальное соотношение элементов, при котором достигаются наилучшие термоэлектрические показатели.

В будущем авторы намерены продолжить улучшение термоэлектрических свойств исследуемых соединений. Для этого планируется провести частичную замену некоторых элементов в структуре, а также ввести в состав материала другие компоненты.