Ученые и инженеры НИТУ «МИСиС» разработали новый подход к созданию термоэлектрических материалов, которые в перспективе могут быть использованы для преобразования промышленного тепла в электричество. Предложенный метод одновременно повышает энергоэффективность производственных процессов и минимизирует воздействие на окружающую среду.

Промышленное отработанное тепло, выделяемое на производстве, представляет собой значительный источник энергии, который обычно теряется в окружающей среде. Для повышения эффективности энергопотребления разработаны технологии, позволяющие улавливать и перерабатывать тепло в электричество. Помочь в этом могут термоэлектрические материалы, которые классифицируются по температурным диапазонам: низкотемпературные (до 575 K), среднетемпературные (575–925 K) и высокотемпературные (свыше 925 K).

Хотя первые два типа хорошо изучены, последний все еще требует углубленного исследования.

Материалы, созданные на основе перовскита манганита кальция с добавлением марокита, демонстрируют улучшенные термоэлектрические свойства при повышенных температурах, что превосходит известные аналоги. Эти характеристики достигаются благодаря контролируемой пористости (10–22%) и оптимизированной структуре, которая оказывает значительное влияние на проводимость тепла и электричества.

Руководитель проекта, к.т.н. Сергей Юдин, ведущий эксперт НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСиС рассказал:

«Материал должен обладать не только высокой термической устойчивостью, но также быть экономически доступным и экологически безопасным. Этим критериям наиболее соответствуют оксидные термоэлектрики. Они могут быть как электронными, так и дырочными проводниками, что позволяет создавать эффективные термоэлектрические модули, комбинируя материалы с разными типами проводимости для повышения производительности устройств».

Исследователи Университета МИСиС предложили метод, включающий молекулярное смешение химических веществ, где ионы равномерно распределяются в растворе, создавая основу для однородного материала. Затем жидкость превращают в аэрозоль, капли которого попадают в горячую зону реактора. Там происходит их локальное горение, что позволяет точно контролировать состав и формировать уникальные микроструктуры, такие как полые или пористые сферы с заданной толщиной стенок и размером пор, без промежуточных стадий обработки. Полученный порошок уплотняют и спекают при высоких температурах. В его структуре образовываются новые фазы, а важные для термоэлектрической эффективности материала свойства улучшаются. Подробности исследования опубликованы в научном журнале Journal of the European Ceramic Society (Q1).

«Новый метод позволяет точно настроить морфологию и состав материала. Отличие от аналогов заключается в достижении рекордной эффективности преобразования тепла в электричество для чистого перовскита манганита кальция, благодаря уникальной комбинации пористости, фазового состава и равномерности структуры. Также метод исключает длительное высокотемпературное обжигание, используемое в традиционных подходах, что делает его более энергоэффективным и простым для масштабирования», – объяснила Жанна Ермекова, PhD, научный сотрудник НИЦ «Конструкционные керамические наноматериалы» НИТУ МИСиС.

В дальнейшем исследователи планируют сосредоточиться на поиске оптимальных концентраций, а также изучении разных добавок и их влияния на термоэлектрические свойства материала. Эти данные помогут разработать более эффективные и стабильные композиты для высокотемпературных применений.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (грант № 22-79-10278).



По материалам пресс-службы НИТУ «МИСиС»