Химики МГУ исследовали механизм работы экологичных термоэлектриков

Сотрудники кафедр неорганической химии и радиохимии химического факультета МГУ изучили механизм работы нетоксичных термоэлектриков на основе соединений меди и халькогенов (серы и селена). Об этом сообщили в пресс-службе вуза.

Информация позволит усовершенствовать термоэлектрические свойства минералов, а их нетоксичность откроет путь к промышленному использованию изученных соединений.

Работа выполнена в рамках национального проекта «Наука и университеты», который призван поддерживать и развивать научную деятельность и образование в России. 

Термоэлектрические материалы способны преобразовывать друг в друга разность потенциалов и разницу значений температуры. Их можно применять как для принудительного охлаждения электрическим током, так и для перевода отработанного тепла в электричество. Так можно, например, увеличить эффективность работы автомобильных двигателей, возвращая энергию уходящего тепла обратно в систему.

«Сейчас использование соединений с термоэлектрическими свойствами в автомобильной промышленности ограничено. Это обусловлено тем, что в их состав входят редкий и дорогой теллур, а также высокотоксичный свинец. Использование таких элементов очень вредит экологии, поэтому существует потребность в нетоксичных, но при этом не менее эффективных новых материалах», – рассказал руководитель исследования, заведующий кафедрой неорганической химии Химического факультета МГУ, д.х.н., профессор, член-корреспондент РАН Андрей Шевельков. 

Новые материалы для термоэлектрики основаны на халькогенидах меди – соединениях меди и элементов 16-й группы периодической системы (серы и селена). Такие соединения встречаются в природе в виде разнообразных минералов. Как правило, они не содержат токсичных элементов, легко перерабатываются и при оптимизации демонстрируют хорошие термоэлектрические свойства. 

«Чтобы оптимизировать свойства, нужно разобраться в механизме «работы» соединений. Мы решили выяснить, какие процессы помогают этим соединениям, а точнее их синтетическим аналогам демонстрировать хорошие термоэлектрические показатели. В данной работе мы подробно исследовали процесс электронных корреляций между железом и медью в различных степенях окисления. Выяснилось, что наши термоэлектрические материалы работают совсем не так, как используемые в промышленности. Хотя концентрация носителей заряда (электронов или дырок) в них на порядок меньше, они высокоэффективны именно за счет другого механизма, основанного на «прыжках» носителей заряда между катионами меди и железа», – объяснил Андрей Шевельков.

Используя различные взаимодополняющие методы, авторы установили механизм обмена электронами между железом и медью, что дает возможность применять данные соединения в составе термоэлектрических устройств. Также удалось определить оптимальное соотношение элементов, при котором достигаются наилучшие термоэлектрические показатели. 

В будущем авторы намерены продолжить улучшение термоэлектрических свойств исследуемых соединений. Для этого планируется провести частичную замену некоторых элементов в структуре, а также ввести в состав материала другие компоненты.