Спосіб підвищення термоелектричної ефективності матеріалу на основі сполуки нонаталій(і)гексаселенобісмутиту tl9bise6

Реферат: Винахід належить до галузі напівпровідникового матеріалознавства і може бути використаний при виробництві перетворювачів теплової енергії в електричну. Спосіб включає термічну обробку сполуки нонаталій(І)гексаселенобісмутиту Tl9BiSe6, а також додатково загартування у льодяній воді. Технічний результат: максимальне значення термоелектричної добротності -3 -1 складало 2,3х10 K при температурі 565 K. UA 109002 C2 (12) UA 109002 C2 UA 109002 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до галузі неорганічної хімії та напівпровідникового матеріалознавства і може бути використаний для практичного застосування при виробництві перетворювачів теплової енергії в електричну (термоелементів, термобатарей, термоелектрогенераторів тощо). Найбільш близьким за технічною суттю та досягуваним результатом є спосіб одержання термоелектричного матеріалу на основі сполуки нонаталій(І)гексаселенобісмутиту Tl 9BiSe6, який описаний у роботі [1]. Недоліком прототипу є порівняно невисоке значення термоелектричної добротності, яким характеризується отримуваний матеріал. Задача винаходу полягає в одержанні термоелектричного матеріалу новим способом, який підвищить його термоелектричну ефективність. Поставлена задача вирішується таким чином, що спосіб підвищення термоелектричної ефективності матеріалу на основі сполуки нонаталій(І)гексаселенобісмутиту Tl9BiSe6, який включає термічну обробку, який відрізняється тим, що розплав Tl9BiSe6 піддають додатковій термічній обробці, а саме загартуванню у льодяній воді. Перевага запропонованого способу над прототипом: набуття матеріалом суттєво вищих -3 -1 значень термоелектричної добротності (до 2,310 K ) у широкому температурному інтервалі (Табл., Фіг. 1). Приклад. Тернарна сполука Tl9BiSe6 утворюється при взаємодії бінарних сполук Tl2Se і Bi2Se3, взятих у мольному співвідношенні 0,90:0,10 [1], її синтез здійснювали однотемпературним методом у вакуумованій кварцовій ампулі. Компоновку вихідних бінарних -6 селенідів здійснювали з точністю до 210 кг на електронних терезах модифікації AD200. Синтез проводили аналогічно до роботи [1]. Реакційну суміш нагрівали зі швидкістю 50 K/год. При максимальній температурі 1053 K (витримка протягом 48 годин) вихідні компоненти та продукт взаємодії знаходилися у розплаві, що сприяло завершенню фізико-хімічної взаємодії з утворенням необхідної тернарної сполуки. Охолодження до температури відпалу (423 K) здійснювали зі швидкістю 50 K/год. Відпал проводили протягом 72 годин (традиційна методика одержання індивідуальної сполуки Tl9BiSe6 [1]). Отриманий сплав піддавали додатковій термічній обробці: ампулу з речовиною нагрівали зі швидкістю 100 K/год. в електричній печі опору до температури 850 K (при цій температурі витримували декілька годин) і загартовували у льодяній воді. Охолодження сплаву до 273 K тривало приблизно 10 с. Ідентифікацію здійснювали методами диференційного термічного (ДТА) та рентгенівського фазового (РФА) аналізів. Доказами утворення сполуки в одержаному зразку є узгодження дифрактограми синтезованого сплаву складу Tl9BiSe6 (Фіг. 2) із теоретично розрахованою за даними [2] дифрактограмою зазначеного тернарного селеніду, яка наведена у роботі [1] (Фіг. 3), а також відповідна термограма, що характеризується на кривій нагрівання одним чітким ендотермічним ефектом при 790 K. За даними роботи [1], тернарна сполука Tl9BiSe6, одержана традиційним синтезом, належить до перспективних термоелектричних перетворювачів енергії. Кількісною мірою ефективності перетворення матеріалом теплової енергії в електричну служить термоелектрична добротність (ZT), яка визначається із виразу [3]: ZT  45 50 55 2   T ,  2 де Z T   T   - коефіцієнт термо-ЕРС, мкВ/K;   - питома електропровідність, См/м;  - питома теплопровідність, Вт/мхK. Одним із шляхів підвищення термоелектричної добротності перспективних матеріалів є зменшення їх теплопровідності [3]. Згідно з відомими дослідженнями [4, 5], різновиди загартування дозволяють зменшувати теплопровідність відповідних зразків. Отже, загартування матеріалів може призводити до підвищення їх термоелектричної добротності. Термоелектричні властивості досліджували методом Хармана [6] в температурному інтервалі 300-600 K на полікристалічних зразках у формі паралелепіпеда (α=10,35 мм, b=6,40 мм, c=2,70 мм). Необхідно відзначити, що використаний метод Хармана дозволяє безпосередньо розраховувати Z T , не визначаючи  . Вимірювання здійснювали на подрібнених в порошок, просіяних, пресованих і відпалених зразках синтезованої та термічно обробленої за описаним вище способом тернарної сполуки Tl9BiSe6. -3 -1 Максимальне значення термоелектричної добротності (ZTmax) складало 2,310 K (Табл., Фіг. 1) при температурі 565 K, що суттєво перевищує аналогічні показники зразків Tl 9BiSe6, 1 UA 109002 C2 -3 -1 одержаних за традиційною методикою (1,510 K при 590 K [1]). Таким чином, загартування зазначеної сполуки у льодяній воді дозволило підвищити її термоелектричну ефективність. Таблиця ZTmax10 , K 1,5 (590 K) 2,3 (565 K) -3 Матеріал Tl9BiSe6 (традиційний синтез) Tl9BiSe6 (загартування у льодяній воді) 5 10 15 20 25 -1 Застосування загартованого у льодяній воді сплаву Tl9BiSe6 в ролі робочого елемента термоелектричних пристроїв, порівняно з аналогічним за складом, але одержаним за традиційною методикою зразком, забезпечує їх більшу ефективність як за фізико-технічними, так і економічними характеристиками. Винахід може бути використаний для генерації електроенергії з відпрацьованого тепла металургійних комбінатів, підприємств хімічної промисловості, АЕС, ТЕС, двигунів внутрішнього згорання тощо. Джерела інформації: 1. Козьма А.А., Барчій І.Є., Переш Є.Ю., Цигика В.В., Беца В.В., Соломон A.M., Сабов М.Ю. Одержання та термоелектричні властивості полікристалічних сполук TlBiSe 2 і Тl9ВіSе6 // Наук, вісник Ужгородського у-ту. Сер. "Хімія". - 2010. - Вип. 23. - С. 22-25. - ПРОТОТИП. 2. Ворошилов Ю.В., Гурзан М.И., Киш З.З., Лада Л.В. Фазовые равновесия в системе Tl-PbIV V Те и кристаллическая структура соединений Tl4B Х3 и Тl9В Х6. // Неорган. материалы. - 1988. Т. 24, № 6. - С. 1479-1484. 3. Дмитриев А.В., Звягин И.П. Современные тенденции развития физики термоэлектрических материалов // Успехи физ. наук. - 2010. - Т. 180, № 8. - С. 821-838. 4. Арзамасов Б.Н. и др. Конструкционные материалы: Справочник. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с. 5. Конрад Г. (подборка Холмской А.) МИ 1133 // Изобретатель и рационализатор. - 1992. - № 11, 12 (555, 556). - С. 5. 6. Harman T.C., Cahn J.H., Logan M.J. Measurement of thermal conductivity by utilization of the Peltier effect // J. Appl. Phys. - 1959. - V.30, №9. - P. 1351-1359. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Спосіб підвищення термоелектричної ефективності матеріалу на основі сполуки нонаталій(І)гексаселенобісмутиту Tl9BiSe6, який включає термічну обробку, який відрізняється тим, що розплав Tl9BiSe6 піддають додатковій термічній обробці, а саме загартуванню у льодяній воді. 2 UA 109002 C2 3 UA 109002 C2 Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4