Японские химики обнаружили, что нетоксичный силицид иттербия обладает термоэлектрическими свойствами при комнатной температуре. Благодаря высокому коэффициенту мощности такой материал может составить конкуренцию другим материалам на основе теллуридов и селенидов различных металлов, пишут ученые в Physica Status Solidi RRL.
С помощью термоэлектрических материалов разницу температур можно преобразовывать в электрическое поле, причем в обоих направлениях. При неравномерном нагревании в таком материале возникает разность потенциалов, что можно использовать для получения электроэнергии. А если приложить к нему электрическое напряжение, в кристалле появится разница температур, поэтому такой материл можно применять и для охлаждения. Однако большая часть термоэлектрических материалов проявляет свои свойства только при довольно высоких температурах, а те немногие, которые способны эффективно преобразовывать тепло в электроэнергию при температурах, близких к комнатной, содержат токсичные компоненты (сейчас наиболее эффективными термоэлектриками при комнатной температуре являются теллуриды висмута и свинца Bi2Te3 и PbTe, а также селенид олова SnSe).
Группа японских материаловедов под руководством Кена Куросаки (Ken Kurosaki) из Осакского университета изучила термоэлектрические свойства одного из потенциально эффективных нетоксичных термоэлектриков — силицида иттербия YbSi2 — и обнаружила, что по своим свойствам он практически не уступает рекордсменам по коэффициенту мощности и коэффициенту термо-ЭДС.
Силицид иттербия имеет слоистую структуру, и иттербий в нем имеет смешанную степень окисления Yb+2/Yb+3. Благодаря смешанной валентности в материале удается совмещать высокую электропроводность и высокий коэффициент термо-ЭДС. А слоистая структура материала обеспечивает необходимую низкую теплопроводность. Такое сочетание параметров приводит к высокому значению коэффициента мощности при комнатной температуре (2.2 милливатта на квадратный кельвин на метр). Это значение соизмеримо с величинами коэффициентов мощности для наиболее эффективных материалов (у селенида олова, например, коэффициент мощности составляет 4 милливата на квадратный кельвин на метр).
Ученые показали, что как термоэлектрогенератор силицид иттербия может эффективно работать в диапазоне от комнатной температуре до 200 градусов Цельсия, поэтому уже в ближайшее время он может быть использован в реальных устройствах при относительно низких температурах.
Использовать термоэлектрогенераторы для получения электроэнергии современные разработчики иногда предлагают в довольно необычных конфигурациях. Например, с помощью краски на основе термоэлектрических материалов корейские ученые предложили вырабатывать электричество, используя остаточное тепло с поверхностей зданий или автомобилей. А другая группа исследователей разработала устройство на основе термоэлектрогенератора для зарядки смартфонов от пламени свечи.
Иллюстрация к статье:
Обсуждение