Nový materiál zahrnuje dvě různé krystalické struktury. Kredit: Pavan Kumar et al. (2022), Angewandte Chemie.

Termoelektrické materiály generují elektřinu díky teplu. Je to velmi užitečné, především v průmyslových provozech, kde je odpadní teplo využíváno jako zajímavý zdroj cenné elektřiny. Funguje i opačný přístup, kdy termoelektrické materiály ochlazují elektronické komponenty, například v chytrých telefonech anebo v automobilech.

Emmanuel Guilmeau. Kredit: ECT 2019.

Z toho vyplývá, že by termoelektrické materiály měly být nejen funkční a nepříliš nákladné, ale především bezpečné pro lidské zdraví. Problém je ovšem v tom, že dosavadní termoelektrická zařízení využívají toxické a zároveň dost drahé látky, jako například olovo a tellur, které v dnešní době nabízejí nejvyšší účinnost při přeměně tepla na elektřinu.

Francouzský materiálový vědec Emmanuel Guilmeau z laboratoří Laboratoire CRISMAT v Caen a jeho kolegové vyvinuli nový syntetický materiál, který je odvozený od přírodních sulfidových materiálů. Jeho zásadními složkami jsou měď, mangan, germanium a síra.

Logo. Kredit: Laboratoire CRISMAT.

Výroba nového materiálu je jednoduchá. Suroviny se rozemelou v kulovém mlýnu s ocelovými kuličkami a mechanicky se propojí. Vzniklý polotovar je poté vystaven teplotě 600 °C, která vede ke zvýšení hustoty materiálu. Podle Guilmeaua je tento proces snadno zvládnutelný v průmyslovém měřítku.

Badatelé dokázali vytvořit celou skupinu termoelektrických materiálů, které mají dvě krystalické struktury zároveň. Ukázalo se, že malá změna jejich složení dramaticky mění strukturu těchto materiálů. Když nahradili malou část manganu mědí, vznikly komplexní mikrostruktury s navzájem propojenými nanodoménami a defekty. Takové strukturní změny přitom ovlivňují vlastnosti materiálu, pokud jde o transport a elektronů tepla.

Guilmeau uvádí, že zmíněný nový materiál je stabilní do teploty až 400 °C. To znamená, že by mohl pracovat ve většině průmyslových provozů, kde vzniká podstatné množství průmyslového tepla. Guilmeau je přesvědčen, že na jejich objev bude možné navázat vývojem dalších levných a hlavně netoxických termoelektrických materiálů, které by pak mohly nahradit starší problematické materiály.

Video: Basic Information about Thermoelectric effect, Materials and Generators

Wiley 8. 11. 2022.

Angewandte Chemie online 13. 9. 2022.