Statistisch gezien gaat meer dan 60% van de energie in de wereld verloren, meestal als afvalwarmte. Het gebruik van de restwarmte voor thermo-elektrische (TE) toepassingen heeft een groot potentieel. TE biedt een geschikte methode om restwarmte om te zetten in elektrische energie. Speciale toepassingen, zoals elektrische energiebronnen in radioactieve thermo-elektrische generatoren voor ruimteonderzoek en/of het vervangen van de oude Hg-Zn-batterijen in pacemakers, kunnen worden genoemd1.
Van de verschillende TE-materialen behoren chalcogeniden tot de favorieten, vooral als ze zijn samengesteld uit overvloedige en niet-giftige elementen. Chalcogeniden met tellurium-, lood- en germaniumgehalte werden in het verleden gerapporteerd als perspectief TE-materialen, waarbij Bi2Te3 en (Bi,Sb)2Te3 tot de meest prominente voorbeelden behoorden. Zowel Bi als Te zijn echter zeldzaam en/of giftig, waardoor de massaproductie van TE-materialen met deze samenstelling een uitdaging is2. Vooruitkijkend naar selectie onder chalcogeniden, worden de nieuwe alternatieven overwogen die rekening houden met niet-toxiciteit, overvloed aan aarde en TE-efficiëntie. Twee systemen die aan deze criteria voldoen, zijn kopersulfiden Cu2-xS en tinselenide SnSe.
Kopersulfiden komen vaak voor in de natuur als mineralen in verschillende samenstellingen, met chalcociet Cu2S en covelliet CuS als grensleden. Daartussenin bestaan verschillende niet-stoichiometrische verbindingen3. Onder hen werden Cu1.97S en Cu1.98S, met interessante eigenschappen, al gesynthetiseerd door de elementen Cu en S 4,5 direct te smelten. Ook digeniet Cu1.8S is bijzonder interessant voor thermo-elektriciteit.
Tinselenide SnSe vertegenwoordigt een hoog TE-cijfer onder chalcogeniden. De synthese bij 1223 K gedurende meer dan 9,5 uur leidde tot een ultralage thermische geleidbaarheid en de daaropvolgende hoge thermo-elektrische efficiëntie6. Begeleidende verschijnselen werden niet bestudeerd.
Syntheseroutes van kopersulfiden en tinseleniden omvatten voornamelijk de behandeling bij hoge temperatuur van reactieprecursoren 4,7,8,9,10. Er zijn echter ook alternatieve, meer milieuvriendelijke syntheseroutes zoals mechanochemische synthese 3,11,12,13. De mechanochemische synthese van chalcogeniden uit elementen kan onder bepaalde omstandigheden plaatsvinden als een mechanisch geïnduceerde zelfvoortplantende reactie (MSR), een verbrandingsachtig proces dat de producten onmiddellijk in een zeer kort tijdsbestek oplevert 14,15,16. Voor beide systemen die in deze studie werden gerapporteerd, werd de MSR gerapporteerd - voor Cu1.8S werd dit onmiddellijk gedaan, hoewel de Cu:S-verhouding 1.6 moest worden gebruikt vanwege de vluchtigheid van zwavel16,17, en voor SnSe trad het op in ongeveer 15 s16.
De ontsteking van een MSR gaat gepaard met een plotselinge stijging van de temperatuur en druk. Door deze kenmerken te monitoren via speciaal ontworpen freespotten, is het mogelijk om het begin van de MSR te bepalen. De in de handel verkrijgbare apparaten voor het bewaken van planetaire kogelfrezen bieden echter alleen de gegevensverzameling om de 2 s, en vanwege de locatie van de sensoren kan MSR alleen worden gedetecteerd via drukbewaking, noch door temperatuur één16,18. Bovendien is het genoemde systeem niet overdraagbaar en kan het alleen worden gekocht en gebruikt in combinatie met de speciaal ontworpen freesbeker, wat zowel beperkend als kostbaar is. We hebben onlangs een overdraagbaar apparaat ontwikkeld dat in staat is om elke 80 ms19 temperatuurgegevens te verzamelen. Dit geavanceerde meetsysteem, ontwikkeld voor in situ temperatuurbewaking tijdens mechanochemische synthese, verbetert de mogelijkheden ten opzichte van bestaande commerciële oplossingen aanzienlijk. Dit systeem maakt gebruik van een NRBG104F3435B2F NTC-thermistor, met een weerstandstolerantie van ±1% bij 25 °C en een bètawaardetolerantie van ±1%, wat zorgt voor zeer nauwkeurige temperatuurmetingen. Met een frequentie voor het vastleggen van gegevens van elke 80 milliseconden biedt het systeem een monitoring met hoge resolutie die cruciaal is voor het detecteren van de initiatie van MSR's. De hoge gevoeligheid van de thermistor voor temperatuurveranderingen, aangegeven door een sterke weerstand-temperatuurrelatie, zorgt voor een nauwkeurige detectie van snelle temperatuurpieken. De temperatuursensor is strategisch geplaatst in een bestaand schroefmechanisme dat wordt gebruikt voor drukontlasting en gastoevoeging, in het gat van een massieve dop. Deze plaatsing beschermt de sensor tegen mechanische botsingen en signaalruis veroorzaakt door de freeskogels, wat zorgt voor stabiele en betrouwbare temperatuurmetingen. De beperking is dat de diameter van de bal groter moet zijn dan de diameter van de gat. Met kogels van 10 mm is er geen probleem. De draadloze communicatiemogelijkheden van het systeem en het robuuste afdichtingsmechanisme voorkomen materiaal- of warmtelekkage, waardoor de betrouwbaarheid en nauwkeurigheid van de temperatuurgegevens die tijdens het freesproces worden verzameld, worden verbeterd. Dit systeem is ontworpen om kosteneffectief en draagbaar te zijn en vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in de real-time temperatuurbewaking van chemische reacties tijdens het frezen van planetaire kogels en biedt cruciale inzichten voor de optimalisatie van materiaalsynthese.
Deze studie heeft tot doel de prestaties van dit nieuw ontwikkelde apparaat aan te tonen door de temperatuur te monitoren tijdens de mechanochemische synthese van twee geselecteerde metaalchalcogeniden die interessant zijn voor TE-toepassingen. Een ander doel is om het duurzame, eenvoudige en tijdbesparende karakter van de mechanochemische synthese aan te tonen, die wordt gestimuleerd wanneer de reactie plaatsvindt als een MSR.