В Інституті металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України вважають принципово можливим створення «холодних» катодів для термофотоемісійних перетворювачів енергії, а метал–вуглецеві композитні наноматеріали для відповідних електродів – перспективними у цьому контексті. Розповідаємо, чому це важливо.
Споживання енергії людством неперервно зростає. Це призводить до низки ресурсних, технологічних, екологічних і соціальних проблем. Вичерпність викопних паливно-енергетичних джерел та спричинене їх масовим використанням суттєве забруднення довкілля стимулюють розроблення методів використання альтернативних і екологічно безпечних джерел енергії та сприяють дедалі ширшому їх впровадженню.
Сьогодні вже значна частка електроенергії виробляється за рахунок прямого перетворення теплової та променистої енергії на електричну за допомогою термо- й особливо фотоелектричних перетворювачів (сонячних елементів). Проте використання фотовольтаїки потребує задіяння великих площ під сонячні ферми через низьку питому потужність сонячних панелей. Крім того, виробництво й утилізація сонячних панелей становлять суттєву загрозу для довкілля. Загалом у галузі прямого перетворення енергії основними стримувальними чинниками є висока ціна, складність експлуатації та швидка деградація традиційних матеріалів для фотоелектричних, електрохімічних і термоемісійних перетворювачів енергії.
Отже, пошук та дослідження нових матеріалів із підвищеними функціональними властивостями для потреб альтернативної енергетики – один із пріоритетних напрямів вирішення вищезгаданих проблем. Особливе місце при цьому посідають вуглецевмісні матеріали, перспективні для використання в накопичувачах і прямих перетворювачах енергії.
В Інституті металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України тривають дослідження з розроблення, синтезу та підвищення ефективності термоелектричних перетворювачів, отримуваних у рамках зелених технологій, а також новітніх матеріалів для водневої енергетики і для потреб високо- та низькотемпературного термоемісійного перетворення енергії.
Явище термоелектронної емісії, що лежить в основі роботи термоемісійного перетворювача (ТЕП) теплової енергії на електричну, ще 1883 року описав американський науковець і винахідник Томас Едісон. Найпростіший ТЕП складається з двох електродів (катода (емітера) й анода (колектора)), виготовлених із тугоплавких металів, розділених вакуумним проміжком.
 Рис.1. Схема та принцип роботи термоемісійного перетворювача |
Порівняно з фотовольтаїчними пристроями (працюють на внутрішньому фотоемісійному ефекті), ТЕПи (працюють на зовнішньому термоемісійному ефекті) мають на порядки вищу густину емісійного струму. Найвищих показників було досягнуто на ТЕПах на основі тугоплавких металів, що працюють за гранично високих температур, які спостерігаються всередині ядерних реакторів і на високотемпературних стадіях горіння органічного палива. Високі робочі температури унеможливлюють застосування цього типу прямого перетворення енергії від переважно низькотемпературних альтернативних джерел енергії. Тому для масового використання таких прямих перетворювачів енергії необхідно суттєво знизити їхні робочі температури до рівня, який можуть забезпечити, наприклад, невеликі концентратори сонячного випромінювання. При цьому бажано зберегти високі параметри електронної емісії в ТЕПах і знизити їхню собівартість.
Поява нових матеріалів, зокрема тих, чиї властивості визначаються їх наномасштабною структурою, і відповідних нанотехнологій, які уможливили створення й використання таких матеріалів, відкрили нові перспективи вдосконалення прямих перетворювачів енергії та її накопичувачів, зокрема термоемісійних перетворювачів теплової та променистої енергії на електричну.
Учені Інституту металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, які мають великий доробок у напрямі пошуку й дослідження матеріалів для високотемпературних ТЕПів, останнім часом активно працюють і в галузі їхніх низькотемпературних аналогів.
Важливе місце серед нових матеріалів для альтернативної енергетики посідають вуглецеві наноструктури широкого спектру. З усього різноманіття алотропних форм вуглецю для застосування в ТЕПах найперспективнішими є наноструктури, що мають велике відношення довжини до ширини (аспектне відношення), а саме, одно- і багатошарові вуглецеві нанотрубки та одно- і багатошарові графенові листи.
Відомо також, що метали характеризуються високою концентрацією вільних носіїв заряду, але рухливість останніх є відносно низькою. Протилежна ситуація спостерігається у провідних вуглецевих наноструктурах, де низька концентрація вільних носіїв заряду поєднується з їхньою дуже високою рухливістю вздовж графеноподібних площин, яка на 3–4 порядки вища, ніж у металах. У разі створення метал–нановуглецевих композитів частинки металу можуть виступати для мережі вуглецевих наноструктур постачальником вільних електронів. Це дозволяє використовувати вуглецеві наноструктури для функціоналізації дрібнодисперсних порошків металів із метою створення нових композитних матеріалів для електродів низькотемпературних ТЕПів.
Учені Інституту металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України показали у своїх роботах, що створення метал–нановуглецевих композитів уможливлює поєднання переваг обох цих видів матеріалів та появу якісно нових характеристик, які не властиві жодній з вихідних компонент. Саме такі композитні матеріали є перспективними для створення «холодних» катодів для термофотоемісійних перетворювачів енергії.
Важливо підкреслити, що на зразках, одержаних в Інституті металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, струм спостерігався в замкненому електричному колі ТЕПа без прикладання додаткової зовнішньої різниці потенціалів.
 Рис.2. Залежності напруги U та сили струму I в замкненому електричному контурі низькотемпературного ТЕПа від величини температури T |
Усе вищезазначене підтверджує можливість створення «холодних» катодів для термофотоемісійних перетворювачів енергії шляхом ускладнення структури та принципів функціонування ТЕПів і задає напрями подальшого наукового пошуку нових метал–вуглецевих композитних наноматеріалів для відповідних електродів.
Результати досліджень опубліковано у статтях:
1. H.Yu.Mykhailova, M.M.Nishchenko, B.V.Kovalchuk, V.S.Mikhalenkov, and V.Yu.Koda, Conductivity of a Mechanical Mixture LaNi5 + сwt. % CNT,
Universal Journal of Materials Science,
4, No.5:109 (2016).
https://doi.org/10.13189/ujms.2016.040501
2. H. Yu. Mykhaylova, E. G. Len, I. Ye. Galstyan, E. A. Tsapko, O. Yu. Gerasymov, V. I. Patoka, I. M. Sidorchenko, M. M. Yakymchuk, Electrical and mechanical properties of composites Ti – carbon nanotubes,
Metallofiz. Noveishie Tekhnol.,
42, No. 4: 575 (2020).
https://doi.org/10.15407/mfint.42.04.0575
3. I. Ye. Galstian, E. G. Len, E. A. Tsapko, H. Yu. Mykhaylova, V. Yu. Koda, M. O. Rud, M. Ya. Shevchenko, V. I. Patoka, M. M. Yakymchuk, G. O. Frolov, Low-temperature thermionic converters based on metal – nanostructured carbon composites,
Metallofiz. Noveishie Tekhnol.,
42, No. 4: 451 (2020).
https://doi.org/10.15407/mfint.42.04.0451