Izumljen najučinkovitiji termoelektrični materijal

Znanstvenici sveučilišta Northwestern University razvili su novi tip polikristalne strukture pročišćenog kositrenog selenida koji ima sva potrebna svojstva za praktični materijal koji može konvertirati otpadnu toplinu u električnu energiju.

Termoelektrični sustavi stvaraju električnu energiju kroz temperaturni gradijent. Zagrijavanje jedne strane posebnog materijala može uzrokovati da se elektroni počnu kretati s toplije strane na hladniju stranu, stvarajući pritom električnu struju. Znanstvenici se nadaju da bi ta tehnologija mogla pomoći u recikliranju energije koja se inače troši kao toplina u elektronici, elektranama, motorima, pa čak i kod kuhanja.

Jedan termoelektrični uređaj trenutno pokreće NASA-in rover Perseverance na Marsu koji pretvara toplinu u korisnu električnu energiju. Na Marsu je izvor topline radioaktivno raspadanje plutonija, a učinkovitost pretvorbe uređaja je 4-5%, što je dovoljno dobro za rad rovera, ali nije dovoljno dobro za primjenu na Zemlji.

Da bi izvukli maksimum iz ove tehnologije, termoelektričnim materijalima je potrebno nekoliko ključnih svojstava. Moraju imati visoku električnu vodljivost, ali nisku toplinsku vodljivost, tako da elektroni mogu lako prolaziti dok toplina ostaje na jednoj strani. Moraju biti sposobni učinkovito proizvoditi električnu energiju iz temperaturnog gradijenta (poznat kao Seebeckov koeficijent), a u idealnom slučaju trebali bi moći podnijeti visoke temperature.

Sva su ta svojstva međusobno odvagnuta i izražena ZT koeficijentom. Taj je broj prije više od desetljeća pao s 1, na 2,2 u 2012., a u posljednje vrijeme čak 2,7, dok Northwestern University tvrdi da je postigao rekordni ZT od 3,1.

Ključ je bio materijal nazvan kositrov selenid, koji je tim prethodno doveo do ZT od 2,6 u svom monokristalnom obliku. Međutim, ovaj materijal je previše krhak za masovnu proizvodnju, pa su ga istraživači odlučili napraviti u polikristalnom obliku, koji je jači i lakši za rezanje i oblikovanje po potrebi.

Nažalost, kada su počeli eksperimentirati s ovim oblikom, otkrili su da materijal ima visoku toplinsku vodljivost, što smanjuje termoelektrični učinak. Bliži pregled otkrio je da je krivac tanki sloj oksidiranog kositra koji nastaje na površini. Kad su očistili početne materijale i uklonili slojeve koji su nastali, uspjeli su povećati polikristalni kositrov selenid na ZT od 3,1.

"Ovo otvara vrata za nove uređaje koji će se izrađivati od polikristalnih kuglica selenida kositra kako bi se istražile mogućnosti njihove primjene", kaže Mercouri Kanatzidis, vodeći autor studije. "Ovi se uređaji nisu raširili poput solarnih ćelija, a mi se usredotočujemo se na razvoj materijala koji bi bio jeftin i visokih performansi što bi termoelektričnim uređajima omogućilo širu primjenu".

Čitavu znanstvenu studiju objavljenu u časopisu Nature Materials možete pronaći na ovoj poveznici.