Nanostruktury zwiększają konwersję energii
Środowisko w Europie jest w coraz większym stopniu zagrożone skutkami spalania paliw kopalnych. Oczekuje się, że niewielkie, niedrogie, lekkie, ciche i pozbawione zanieczyszczeń nanomateriały i urządzenia o wysokiej sprawności termoelektrycznej pozwolą opracować technologie czystej energii. Podstawowym problemem podczas tworzenia materiałów o wysokiej efektywności termoelektrycznej jest fakt, że muszą one bardzo dobrze przewodzić prąd, ale nie ciepło. W termoelektryce wydajność konwersji ciepła odpadowego określa się za pomocą współczynnika efektywności (ZT). Liczba jest stosunkiem przewodnictwa elektrycznego i mocy termoelektrycznej (w liczniku) do przewodnictwa cieplnego (w mianowniku). Celem finansowanego ze środków UE projektu "Spark plasma sintering nanostructured thermoelectrics" (SPARKNANOTE) było wygenerowanie uszkodzeń i granic międzyziarnowych, tak aby można było zmniejszyć przewodnictwo cieplne w sieci przestrzennej i poprawić efektywność termoelektryczną. Uczestnicy projektu zidentyfikowali zoptymalizowane składy o obiecujących właściwościach, kontrolując morfologię i wielkość ziarna oraz spiekając proszki. Naukowcy uzyskali uszlachetniony tellurek bizmutu i trójantymonek kobaltu przez rozdrobnienie różnych metali, a następnie ponowne złączenie ich w dużych próbkach przy użyciu metody iskrowego spiekania plazmowego (SPS). Zespół odkrył dwa elementy uszlachetniające CoSb3, które dają wysokie wartości ZT. Dzięki połączeniu proszku o zagęszczonej nanostrukturze za pomocą metody SPS i dwuetapowego procesu kucia na gorąco udało się wytworzyć oparte na bizmucie stopy o hierarchicznej nanostrukturze typu p z odpowiednią orientacją. Okazało się, że moc termoelektryczna w kierunku prostopadłym do siły nacisku jest znacznie większa niż w przypadku materiału uzyskanego metodą spiekania jednoetapowego. Drugi etap kucia na gorąco SPS spowodował zmiany powierzchni i uszkodzenia kryształu, które zapewniły wyższe wartości ZT. Naukowcy osiągnęli ten cel dzięki skuteczniejszemu rozpraszaniu fononów, co ma kluczowe znaczenie dla ograniczenia przewodności cieplnej. W związku z tym wartość ZT stopów nanostrukturalnych została zwiększona o 50%. Zespół naukowców wprowadził również do nanomateriałów podwójne granice międzyziarnowe, a następnie spiekł te materiały za pomocą metody SPS, co pozwoliło uzyskać maksymalną wartość ZT. Dzięki materiałom, które przekształcają znaczną ilość ciepła odpadowego w przydatną energię elektryczną, technologie fotoelektryczne mogą zyskać większą popularność w przemyśle.
