Отработанное тепло - очень многообещающий источник возобновляемой энергии; однако эффективность использования тепла для производства энергии исторически была намного ниже, чем у гидроэлектроэнергии, энергии ветра или солнца.
Хотя существует ряд материалов, которые можно использовать для выработки энергии из отходящего тепла, все они страдают от различных проблем, от низкой стабильности до низкой эффективности. Тем не менее, тот факт, что во многих отраслях промышленности выделяется большое количество отработанного тепла, подтолкнул исследования в этой области.
Группа ученых под руководством профессора Хиромичи Охта из Исследовательского института электронных наук Университета Хоккайдо недавно разработала слоистый оксид кобальта с рекордной термоэлектрической добротностью для оксидов металлов при комнатной температуре. Их выводы были опубликованы в журнале Journal of Materials Chemistry A.
Термоэлектрическое преобразование обусловлено эффектом Зеебека: в замкнутой цепи, при разнице температур в местах контактов проводящих разнородных материалов возникает термо-ЭДС и генерируется электрический ток.
Исторически эффективность преобразования тепла в электричество оксидов металлов была очень низкой; однако термоэлектрические устройства на основе оксидов металлов весьма желательны из-за их экологической совместимости. Эффективность термоэлектрического преобразования устройства зависит от ключевого фактора, называемого термоэлектрической добротностью (ZT).
Гипотеза улучшения ZT слоистого оксида кобальта. Ионы с большей атомной массой (справа) увеличивают ZT, поскольку они подавляют теплопроводность в слоях оксида кобальта. Фото: Yugo Takashima et al, Journal of Materials Chemistry A
Группа Хиромичи Охта разработала слоистый оксид кобальта, который демонстрирует высокий ZT и стабилен в широком диапазоне рабочих температур. Хорошо известный оксид натрия-кобальта, в котором слои оксида натрия и кобальта чередуются, показывает очень низкое значение ZT около 0,03, но материал, разработанный группой Охта, достиг ZT 0,11. Группа заменяла натрий другими щелочными или щелочноземельными металлами: кальцием, стронцием и барием.
Материал слоистого оксида бария-кобальта показал рекордное значение ZT 0,11 при комнатной температуре. Увеличение ZT напрямую связано с уменьшением теплопроводности бария. Как предположили ученые, чем больше атомная масса, тем ниже теплопроводность, что приводит к более высокому значению величины ZT. Это связано с тем, что более тяжелые атомы подавляют колебания в слоях оксида кобальта, вызванные нагревом. Требуются дальнейшие исследования для оптимизации состава материала для повышения эффективности и стабильности, а также для определения наиболее полезных практических применений.
Корреляция между атомной массой и термоэлектрической добротностью (ZT). По мере увеличения атомной массы щелочного или щелочноземельного металла ZT также увеличивается. Показаны цветами: оранжевый - кальций; желтый - натрий; фиолетовый - стронций; зеленый - барий. Фото: Yugo Takashima et al, Journal of Materials Chemistry A
Хиромичи Охта - руководитель лаборатории функциональных тонкопленочных материалов в Исследовательском институте электронных наук Университета Хоккайдо. Его области исследований включают термоэлектрику, модуляцию термо-ЭДС, оптоэлектронику и ионтронику.
Источник: Phys.org
