Пресса об РФФИ

Новая нанокерамика, способная превратить тепло в электричество

Газета «Коммерсантъ» (г. Москва), 03.10.2019

Дата публикации: 09.01.2020

Молодые учёные 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% всего теплообмена и, как правило, списывается на потери, в электрическую энергию, а также защитить от перегрева изделия, эксплуатируемые при температуре более 1000°С.

Учёные 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 учёные тестируют его термоэлектрические свойства.

Сейчас наиболее распространенные термоэлектрики – теллуриды висмута и свинца. Термоэлектрический эффект – это либо превращение разницы температур в электрический ток (это называется эффектом Зеебека по имени немецкого физика Томаса Иоганна Зеебека, описавшего явление в 1821 году), либо, наоборот, электрического тока в разницу температур (эффект Пельтье; по имени французского физика Жан-Шарля Пельтье, описавшего это явление в 1834 году).

«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.

Именно он предложил состав двухфазной керамической системы на основе оксидов металлов – титаната стронция SrTiO3 и оксида титана TiO2. 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 зёрен способствуют существенному повышению термоэлектрической эффективности.

Высокая плотность и механическая прочность нового материала, критически малые (наноразмерные) зерна 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 TiO2SrTiO3 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.

По материалам статьи TiO2–SrTiO3 Biphase Nanoceramics as Advanced Thermoelectric Materials; журнал Materials, сентябрь 2019 г.
Источник: Коммерсантъ
Фото: ДВФУ