КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 19-79-10282
НазваниеФизико-химические основы сверхбыстрого получения термоэлектрических материалов
РуководительВоронин Андрей Игоревич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (41).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-305 - Физические аспекты получения, преобразования и передачи электроэнергии
Ключевые словатермоэлектрические генераторы, среднетемпературные термоэлектрические материалы, скуттерудиты, оксиселениды, реакционное искровое плазменное спекание, наноструктурирование
Код ГРНТИ44.41.31
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день эффективность термоэлектрических преобразователей энергии ниже, чем у устройств, реализующих другие принципы преобразования (фотовольтаика, ветро-, гидроэнергетика и тд). Тем не менее, они находят применение в ряде областей где их преимущества перевешивают низкую эффективность. Широкое промышленное применение термоэлектрических преобразователей ограничено помимо низкой эффективности, сложностью получения термоэлектрических материалов, методы синтеза которых, зачастую сложны, трудоемки и не масштабируемы. Другими словами, для создания эффективных решений, реализующих достоинства термоэлектрического преобразования, помимо высокой термоэлектрической эффективности материалов, требуется технологичное и масштабируемое производство материалов, используемых в качестве рабочего тела преобразователей.
По-настоящему актуальны с точки зрения как исследовательского, так и промышленного интереса и наиболее активно изучаются среднетемпературные термоэлектрические пары материалов (n- и p-типа), термически и химически стабильные в интервале рабочих температур 450-650 °C. В Проекте 2019 создан задел и обоснован выбор наиболее перспективных с точки зрения потенциального применения и технологичности получения материалов на основе оксихалькогенидов LnCuRO (Ln – Bi или лантаноиды, R – сера, селен или теллур) и скуттерудитов XyCo4Sb12 (X – атом «ратлер», служащий центром рассеяния фононов на осцилирующем атоме).
Основной целью предлагаемого проекта является реализация накопленного задела, оптимизация и разработка новых методик получения среднетемпературных термоэлектрических материалов на основе оксиселенидов системы Bi-Cu-Se-O и скуттерудитов системы Co-Fe-Sb с термоэлектрической эффективностью в интервале 1 – 2, а также методов их повышения стабильности/эффективности за счет интеграции нановключений ZnO. Вместе с этим значительная часть усилий будет направлена на расширение знаний о физико-химических аспектах синтеза исследуемых материалов, процессах фазообразования, фазовых переходах и процессах транспорта носителей зарядов и фононов.
Для выполнения проекта и решения озвученной научной проблемы будут проведены комплексные и междисциплинарные исследования, включающие в себя развитие разработанных в рамках Проекта 2019 методов получения объемных термоэлектрических материалов на основе Bi-Cu-Se-O и Co-Fe-Sb, а также изменение стехиометрии и интеграции низкоразмерных нановключений с целью повышения термоэлектрической эффективности и стабильности исследуемых материалов. В частности, планируется получить материалы как p-, так и n-типа проводимости для каждой из вышеозвученных систем, используя быстрые и масштабируемые методы синтеза, разработанные в рамках Проекта 2019, а также будет предложена новая стратегия повышения стабильности и термоэлектрической эффективности исследуемых материалов за счет внедрения в их структуру низкоразмерных материалов на основе ZnO (так называемое модуляционное легирование). Предлагаемая стратегия сочетает в себе сразу несколько направлений работы и подразумевает прямое продолжение идей, заложенных и развитых в рамках Проекта 2019.
Научный коллектив Проекта 2022 сочетает в себе специалистов в области физики полупроводников, структурного анализа, материаловедения объемных и низкоразмерных материалов. В данных областях научный коллектив обладает существенным научно-экспериментальным заделом, что дает все основания полагать что предлагаемый проект будет успешно выполнен на высоком уровне. Более того, за время выполнения Проекта 2019 научным коллективом были налажены все технологические цепочки, схема работы и доступ к необходимому оборудованию, что позволит выполнить все заявленные научные исследования на высоком уровне. Решение поставленных в проекте задач позволит значительно углубить, развить и расширить достигнутые в рамках Проекта 2019 результаты и опубликовать их в ведущих научных изданиях.
Ожидаемые результаты
Объемктами исследования в рамках предлагаемого Проекта 2022, как и в рамках Проекта 2019, будут две системы термоэлектрических материалов - оксиселениды Bi-Cu-Se-O и скуттерудиты Co-Fe-Sb. Часть работ будет посвящена развитию разработанных в рамках Проекта 2019 методов получения оксиселенидов и скуттерудитов. Вместе с этим будет развита новая методика повышения термоэлектричской эффективности и стабильности материалов за счет их модуляционного легирования низкоразмерными включениями на основе ZnO. Для этого будут также проведены работы по синтезу нанопорошков ZnO методами мокрой химии и исследованы структурные и термоэлектрические свойства полученных на их основе компактов.
Планируется достижение следующих основных научных результатов проекта:
1) Установление характера влияния различных методов получения скуттерудитов и оксиселенидов как p-, так и n-типа проводимости на их структуру, фазовый и элементный состав. Определение оптимальных параметров получения материалов и их стехиометрии (в том числе, легирования), позволяющих получать материалы с максимальными фактором мощности и/или термоэлектрической добротностью.
2) Развитие методов синтеза нанопорошков на основе ZnO методами “мокрой” химии (ультразвуковой спрей пиролиз и химическое осаждение) для дальнешей интеграции в структуру исследуемых материалов. Установление закономерностей влияния параметров получения и гетеровалентного замещения на морфологию, структурные и термоэлектрические свойства оксида цинка. Определение оптимальных композиций и синтеза, позволяющих достигать максимального фактора мощности в ZnO.
3) Определение механизмов влияния интеграции низкоразмерных включений на основе ZnO на структуру, фазовый и элементный составы, процессы транспорта носителей заряда и фононов в исследуемых материалах. Повышение стабильности, фактора мощности и термоэлектрической добротности исследуемых материалов за счет их модуляционного легирования низкоразмерными материалами на основе ZnO.
4) Создание для каждой системы, оксиселенидов Bi-Cu-Se-O и скуттерудитов Co-Fe-Sb, материалов как n-, так и p-типа проводимости с повышенной эффективностью, полученных по разработанным сверхбыстрым и масштабируемым методикам. Информация о физико-химических аспектах сверхбыстрого получения этих материалов, а также повышение их термоэлектрической эффективности.
Ожидается, что предлагаемое комплексное исследование оксиселенидов и скуттрудитов позволит приблизить оба класса этих соединений к их индустриальному производству и применению в качестве рабочего тела среднетемпературных термоэлектрических генераторов. В этом ключе, главным практическим результатом успешного выполнения проекта можно будет считать разработанные методики быстрого и масштабного получения термоэлектрических материалов на основе скуттерудитов Co-Fe-Sb и оксиселенидов Bi-Cu-Se-O как n-, так и p-типа проводимости с термоэлектрической эффективностью в интервале 1 – 2 в области средних температур (450 - 650 С). Достижение этого результата безусловно позволит приблизить их к потенциальному индустриальному применению, а также сформировать предпосылки к созданию конечных термоэлектрических устройств на их основе. Особое внимание будет уделено изучению физико-химических аспектов получения исследуемых материалов, что позволит не только обеспечить воспроизводимость термоэлектрических параметров при их синтезе в индустриальных масштабах, но и расширить разработанные подходы на другие классы материалов.
В ходе проекта ожидается получение принципиально новых и значимых научных результатов, которые будут опубликованы в соответствующих профильных журналах преимущественно первого квартиля. За два года выполнения проекта планируется опубликовать не менее 9 научных публикаций.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе выполнения проекта № 19-79-10282 «Физико-химические основы сверхбыстрого получения термоэлектрических материалов» были выполнены работы по синтезу (1) скуттерудитов n-типа методом индукционной плавки, (2) скуттерудитов p-типа методом механохимического синтеза, (3) нелегированного и (4) легированного оксида цинка методами химического осаждения и ультразвукового спрей-пиролиза, (5) композитов на основе скуттерудитов n-типа проводимости и ZnO в виде включений.
В качестве основных полученных научных результатов можно выделить следующее:
– Установлена связь параметров получения/обработки, микроструктуры и транспортных свойств в скуттерудитах n-типа проводимости In1Co4Sb12+δ. Показано, как только за счет контроля и управления микроструктурой (размер зерен) и распределением/формой/размером включений InSb можно повысить термоэлектрическую эффективность на ~70%.
– Показано, что объемные образцы, синтезированные из нанопорошка оксида цинка, полученного методом химического осаждения или ультразвукового спрей-пиролиза обладают на порядок большей термоэлектрической эффективностью по сравнению с образцами, полученными из коммерчески доступного порошка.
– Установлено, что частичное замещение цинка алюминием в ZnO позволяет добиться значительного увеличения термоэлектрической эффективности за счет одновременного роста как подвижности, так и концентрации носителей заряда. Полученное значение zT = 0.5 является одним из наиболее высоких, достигнутых для ZnO с одинарным замещением.
– Определены основные закономерности влияния добавки ZnO в виде включений в матрицу скуттерудита n-типа проводимости In1Co4Sb12+δ на фазовый состав, структурные и транспортные свойства полученных композитов. Установлено, что электронный транспорт фактически не зависит от количества добавки включений ZnO, в то время как теплопроводность композита значительно растет с ростом концентрации включений ZnO.
– Проведены эксперименты по получению одно- и двузаполненных скуттерудитов p-типа проводимости методом механохимического синтеза. Установлены закономерности влияния параметров синтеза и спекания на фазовый состав и транспортные свойства синтезируемых скуттерудитов.
Часть результатов, представленных в данном отчете, была опубликована в журнале Journal of Materials Chemistry A. Участниками научного коллектива был сделан ряд устных и стендовых докладов о достигнутых научных результатах на международных конференциях.
Публикации
1. Иванова А.С., Новицкий А.П., Сергиенко И.А., Гуёлоу Г., Свиридова Т.А., Новиков С.В., Горшенков М.В., Богач А.В., Коротицкий А.А., Воронин А.И., Бурков А.Т., Мори Т., Ховайло В.В. Thermoelectric properties of In1Co4Sb12+δ: role of in situ formed InSb precipitates, Sb overstoichiometry, and processing conditions Journal of Materials Chemistry A, 11, 5, 2334-2342 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/D2TA07625J