2 آگوست 2021، توسط دانشگاه نورث وسترن، اعتبار: Unsplash/دامنه عمومی CC0
تیمی از دانشمندان از دانشگاه نورث وسترن و دانشگاه ملی سئول در کره در حال حاضر یک ماده ترموالکتریک با عملکرد بالا را به شکل عملی نشان داده اند که می‌تواند در توسعه دستگاه استفاده شود. این ماده-سلنید قلع تصفیه شده به شکل چند کریستالی-در تبدیل گرما به الکتریک از فرم تک کریستال بهتر عمل کرده و آن را کارآمدترین سیستم ترموالکتریک ثبت شده می‌کند. محققان پس از شناسایی و حذف مشکل اکسیداسیون که عملکرد آن‌ها را در مطالعات قبلی کاهش داده بود، توانستند به نرخ تبدیل بالایی دست یابند.
سلنید قلع پلی کریستالی می‌تواند برای استفاده در دستگاه‌های ترموالکتریک حالت جامد در صنایع مختلف، با صرفه جویی بالقوه در انرژی، توسعه یابد. یک هدف اصلی کاربردی، جذب حرارت هدر رفته صنعتی- مانند نیروگاه‌ها، صنعت خودرو و کارخانه‌های تولید شیشه و آجر- و تبدیل آن به برق است. باید دانست که بیش از 65 درصد انرژی تولید شده در سراسر جهان از سوخت‌های فسیلی در اثر گرمای تلف شده از بین می‌رود.
مرکوری کاناتزیدیس، شیمیدان متخصص در طراحی مواد جدید، می‌گوید: «دستگاه‌های ترموالکتریک مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما فقط در برنامه‌های کاربردی مانند مریخ نورد استفاده می‌شود. این دستگاه‌ها مانند سلول‌های خورشیدی مورد استفاده قرار نگرفته‌اند و چالش‌های مهمی در زمینه ساخت آن وجود دارد. ما بر توسعه موادی تمرکز می‌کنیم که هزینه کم و کارایی بالایی دارد و دستگاه‌های ترموالکتریک را به کاربرد وسیع‌تری سوق می‌دهد.»
کاناتزیدیس، استاد شیمی، چارلز ای و اما ا.موریسون در دانشکده هنر و علوم واینبرگ، نویسنده مشترک این مطالعه هستند.
Chung از دانشگاه ملی سئول نویسنده دیگر مقاله است. وینایاک دراوید، استاد علوم و مهندسی مواد آبراهام هریس در دانشکده مهندسی مک کورمیک نورث وسترن، یکی از نویسندگان ارشد این مطالعه است.
کاناتزیدیس می‌گوید دستگاه‌های ترموالکتریک قبلاً به خوبی تعریف شده‌اند، اما چیزی که باعث می‌شود آن‌ها خوب کار کنند یا خیر، مواد ترموالکتریک داخل آن است. یک طرف دستگاه گرم و طرف دیگر آن سرد است. مواد ترموالکتریک در وسط قرار دارد. گرما از طریق مواد عبور می‌کند و بخشی از گرما به الکتریسیته تبدیل می‌شود که از طریق سیم از دستگاه خارج می‌شود.
این ماده باید رسانایی حرارتی بسیار پایینی داشته باشد در حالی که هنوز رسانایی الکتریکی خوبی را حفظ می‌کند تا در تبدیل گرمای ضایعاتی کارآمد باشد. و از آن‌جا که منبع گرما می‌تواند تا 400-500 درجه سانتی‌گراد باشد، مواد باید در دمای بسیار بالا پایدار باشند. این چالش‌ها و موارد دیگر تولید دستگاه‌های ترموالکتریک را نسبت به سلول‌های خورشیدی دشوارتر می‌کند.
در سال 2014، کاناتزیدیس و تیمش از کشف یک ماده شگفت انگیز که در تبدیل حرارت اضافی به الکتریسیته مفید در جهان بهترین بود، خبر دادند: «شکل کریستالی ترکیب شیمیایی سلنید قلع. در حالی که این یک کشف مهم است، شکل تک کریستالی به دلیل شکنندگی و تمایل به پوسته پوسته شدن برای تولید انبوه غیرممکن است.»
سلنید قلع به شکل پلی کریستالی، که قوی‌تر است و می‌توان آن را برای کاربردها برش و شکل داد، مورد نیاز بود، بنابراین محققان به مطالعه مواد در آن شکل روی آوردند. در یک شگفتی ناخوشایند، آن‌ها دریافتند که هدایت حرارتی مواد بالا است، نه سطح مطلوب پایین که در شکل تک کریستالی یافت می‌شود.
کاناتزیدیس گفت: «ما متوجه شدیم که یک اتفاق شیطانی در حال رخ دادن است. انتظار این بود که سلنید قلع در شکل چند کریستالی رسانایی حرارتی بالایی نداشته باشد، اما چنین بود. ما مشکلی داشتیم.»
پس از بررسی دقیق‌تر، محققان پوسته ای از قلع اکسید شده را روی این ماده کشف کردند. گرما از طریق پوست رسانا جریان می‌یابد و هدایت حرارتی را افزایش می‌دهد، که در یک دستگاه ترموالکتریک نامطلوب است.
پس از آگاهی از اینکه اکسیداسیون هم از خود فرآیند و هم از مواد اولیه ناشی می‌شود، تیم کره‌ای راهی برای حذف اکسیژن پیدا کرد. سپس محققان توانستند گلوله‌های سلنید قلع بدون اکسیژن تولید کنند، سپس آن‌ها را آزمایش کردند. رسانایی گرمایی واقعی شکل پلی کریستالی اندازه گیری شد و همانطور که در ابتدا انتظار می‌رفت پایین‌تر بود. کار روی موضوع کماکان ادامه دارد.
