Наночастицы теллурида висмута помогут превращать тепло в электричество

Российские химики получили термоэлектрические наночастицы теллурида висмута, покрытые арабиногалактаном — полисахаридом, получаемым из древесины лиственницы Сибирской. Данные наночастицы могут использоваться для получения современных биоразлагаемых полимерных нанокомпозиционных термоэлектриков. С использованием современных методов термического анализа в сочетании с синхронной масс-спектрометрией установлено определяющее влияние нанофазы теллурида висмута на термическую активность получаемых на их основе композитов. Исследование опубликовано в Journal of Thermal Analysis and Calorimetry.

Термоэлектрические материалы — это полупроводниковые вещества, которые способны конвертировать тепло в электричество и наоборот. Они применяются в составе термоэлектрических элементов, служащих для выработки электроэнергии из тепловой энергии. Так, например, при подзарядке нательных устройств (смарт-часы, биосенсоры и другие), снабженных термоэлектрическими элементами в качестве источника энергии, используется тепло человеческого тела. Помимо этого, термоэлектрические элементы могут охлаждать различные электронные устройства, конвертируя избыточное рассеянное тепло, которое вырабатывается при работе приборов, в электричество.

Один из эффективных термоэлектрических материалов — теллурид висмута. Он особенно привлекателен для ученых в виде наночастиц или в составе полимерных нанокомпозитов. Дело в том, что наличие множества интерфейсов неорганика-органика в структуре наноматериалов способно заметно снижать их теплопроводность по сравнению с полимерной матрицей, а сниженная теплопроводность материала — один из трех основных факторов, благодаря которому увеличивается эффективность термоэлектрического превращения (термоэлектрическая добротность, figure of merit), от которой зависит возможность применения таких материалов.

Химики из Иркутского института химии им. А. Е. Фаворского СО РАН получили наночастицы теллурида висмута, проведя реакцию ионного обмена между нитратом висмута и теллурид-анионами с последующей стабилизацией их поверхности оболочкой из полисахарида арабиногалактана — одного из ценнейших компонентов древесины лиственницы. После детальной характеристики строения и состава полученных нанокомпозитных материалов они были подвергнуты постепенному нагреванию до 700ºC в рамках исследования их термической активности и установления влияния нанофазы теллурида висмута на термическую активность самого полисахарида арабиногалактана. Ученые установили, что разложение чистого арабиногалактана под действием высоких температур протекает в две стадии: во время первой испарялась влага, содержащаяся в образце, а во время второй происходило терморазложение самого полисахарида. Это подтверждалось образованием соответствующих летучих соединений и резким уменьшением массы образца.

Если же в образце полисахарида присутствовали наночастицы теллурида висмута, влага из нанокомпозитов на первой стадии выходила при более низких температурах. Так, для удаления влаги из чистого полисахарида требовался нагрев до 230ºC, а из образца с наночастицами — до 170ºC. Введение наночастиц в полисахарид приводило к появлению еще одной стадии, предшествующей основной стадии терморазложения нанокомпозита. Данная промежуточная стадия, связанная с испарением влаги, присутствующей на поверхности наночастиц, перекрывается с основной стадией термического разложения. Измерения показали, что сама основная стадия термического разложения нанокомпозитов наступает позже и при больших температурах (270ºC), по сравнению с исходным полисахаридом (240ºC). Это непосредственно связано с «сопротивлением» наночастиц внешнему нагреву. Ученые также показали, что при повышении доли наночастиц теллурида висмута с 3,6% до 10% разложение полисахарида происходило масштабнее, так как потеря массы образца увеличивалась с 45% до 60%.

Авторы также рассчитали для каждой стадии термической деструкции значения эффективной энергии активации. Это суммарный для данной стадии «энергетический барьер», который вещества должны преодолеть, чтобы химический процесс мог произойти. Оказалось, что для образцов наночастиц с полисахаридом энергия активации понижалась вплоть до 40% на самой первой стадии, при которой удалялась влага. Это говорит о том, что такие образцы менее термически стабильны, то есть для проведения этой стадии хватало более низких температур. Одной из причин ученые называют то, что в присутствии наночастиц полисахарид нагревался быстрее и равномернее, потому что теплопроводность теллурида висмута выше, чем у арабиногалактана. В таких условиях влага испарялась быстрее.

На последующих стадиях разложения, напротив, значения энергии активации заметно повышались. Следовательно, разложение образцов на этих этапах шло труднее. Ученые связывают увеличение энергии активации на основной стадии терморазложения полисахарида в присутствии наночастиц с тем, что в присутствии наночастиц термическая деградация полисахарида происходила интенсивнее, из-за чего над поверхностью образца скапливалось больше летучих веществ. Они имеют низкую теплопроводность, а это, в свою очередь, препятствовало дальнейшему нагреву образца.

Таким образом, процессы, протекающие при термическом разложении арабиногалактана в присутствии наночастиц теллурида висмута, имеют комплексную природу. Изучение специфики термической деградации важно не только с теоретической, но и с практической точки зрения. Знание термостабильности данных наночастиц важно для их дальнейшего практического применения в составе биоразлагаемых полимерных термоэлектриков для получения электрической энергии или охлаждения.

Материал подготовлен при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Популяризация науки и технологий».