Команда, возглавляемая Сюэянь Сонг, профессором и заведующей кафедрой инженерии Джорджа Б. Берри в Колледже инженерии и минеральных ресурсов имени Бенджамина М. Статлера, создала оксидный керамический материал, который решает давнюю проблему эффективности, с которой сталкиваются термоэлектрические генераторы. Эти устройства могут вырабатывать электроэнергию из тепла, включая тепловые выбросы электростанций, которые способствуют глобальному потеплению.

Прорывная композиция oxide ceramic, созданная командой Song, "достигла рекордно высокой производительности, которая считалась невозможной", - сказала она. "Мы продемонстрировали лучшую термоэлектрическую оксидную керамику, известную в этой области во всем мире за последние 20 лет, и результаты открывают новые направления исследований, которые могут еще больше повысить производительность".

Сезар Октавио Ромо де ла Крус, Юн Чен, Лян Лян и Серхио А. Паредес Навиа внесли свой вклад в исследование, поддержанное финансированием Национального научного фонда в размере 639 784 долларов США. Результаты представлены в Обзоры возобновляемых источников энергии и устойчивой энергетики.

Оксидная керамика относится к тому же семейству, что и такие материалы, как керамика, фарфор, глиняные кирпичи, цемент и кремний, но содержит различные металлические элементы. Они твердые, устойчивы к нагреванию и коррозии и хорошо подходят для применения при высоких температурах воздуха. Они могут служить материалом для компонентов термоэлектрического генератора.

Однако оксидная керамика имеет "поликристаллические" структуры, состоящие из множества соединенных кристаллов. Инженеры сталкиваются с проблемами при крупномасштабном термоэлектрическом применении этих материалов, поскольку "границы зерен", места, где встречаются эти кристаллы, блокируют ток и поток электронов, которые питают термоэлектрические генераторы.

Команда Сонга превратила этот камень преткновения в ступеньку.

"Мы намеренно добавили "легирующие добавки", или ионы металлов, в поликристаллическую керамику, заставляя особые виды легирующих добавок выделяться на границах зерен", - сказал постдокторский исследователь Ромо де ла Круз. "Вот как мы превратили неизбежные и вредные границы зерен в пути электропроводки, значительно улучшив термоэлектрические характеристики".

Исследование является ответом на растущую проблему отработанного тепла, способствующего изменению климата и являющегося побочным продуктом большинства операций по преобразованию топлива в энергию. Когда лампочки нагреваются на ощупь, они выделяют ненужное тепло: неэффективную дополнительную энергию, которая не способствует их основной работе по производству света. Отработанное тепло выбрасывается в атмосферу такими разнообразными системами, как электростанции, системы отопления домов и автомобили, и его выбрасывается столько, что мировой рынок систем, которые его утилизируют, по прогнозам, превысит 70 миллиардов долларов к 2026 году.

"Тепло используется для производства почти всего - от продуктов питания до металлов и электричества", - объяснил Ромо де ла Крус. "Но во время этих процессов около 60% производимой энергии непроизводительно выбрасывается в окружающую среду в виде тепла. Утилизация отработанного тепла будет играть все более важную роль в обеспечении баланса между растущим спросом на электроэнергию и углеродным следом промышленных процессов. Термоэлектрическая оксидная керамика, подобная нашей, вступает в игру, существенно улучшая способность термоэлектрических генераторов преобразовывать отработанное тепло в электричество ".

Термоэлектрические генераторы являются многообещающей технологией рекуперации отработанного тепла отчасти потому, что они просты в эксплуатации и обслуживании. Мощный термоэлектрический генератор мог бы улавливать значительную часть отходящего тепла электростанции.

Но "для большинства применений термоэлектрическая технология слишком неэффективна, чтобы быть экономичной", - сказал Сонг. "Недостаточная эффективность термоэлектричества в преобразовании энергии серьезно затрудняет разработку термоэлектрических устройств, даже несмотря на то, что они отчаянно необходимы".

Ее лаборатория решила эту проблему с помощью наноструктурной инженерии - манипулирования кристаллической структурой керамики в атомном масштабе, которую можно увидеть только с помощью электронного микроскопа, - чтобы создать плотный текстурированный поликристаллический материал, который превосходит монокристаллические материалы, которые в настоящее время являются стандартными.

Хотя настройка характеристик различных материалов для термоэлектричества стимулировала интенсивную теоретическую и экспериментальную работу на протяжении десятилетий, Сонг считает, что для объемной оксидной керамики ее лаборатория первой продемонстрировала значительное повышение эффективности выработки энергии за счет нагрева за счет нано- и атомарного проектирования границ зерен между кристаллами.

"Эта работа находится на пороге крупномасштабной высокотемпературной рекуперации отработанного тепла", - сказала она. "Это открывает новую эру для оксидной керамики и согласуется с инициативой Министерства энергетики США Industrial Heat Shot по разработке экономически конкурентоспособных технологий декарбонизации промышленного тепла с сокращением выбросов парниковых газов как минимум на 85% к 2035 году. Наши результаты могли бы облегчить и ускорить разработку материалов, которые на порядок превосходят современное состояние техники".