Statystycznie, ponad 60% energii na świecie jest tracone, głównie w postaci ciepła odpadowego. Wykorzystanie ciepła odpadowego do zastosowań w termoelektryczności (TE) ma ogromny potencjał. TE oferuje odpowiednią metodę przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną. Można wymienić specjalne zastosowania, takie jak źródła energii elektrycznej w radioaktywnych generatorach termoelektrycznych do badań kosmicznych i/lub wymiana starych baterii Hg-Zn w rozrusznikach serca1.
Wśród różnych materiałów TE, chalkogenki należą do ulubionych, zwłaszcza jeśli składają się z obfitych i nietoksycznych pierwiastków. Chalkogenki z zawartością telluru, ołowiu i germanu były w przeszłości zgłaszane jako perspektywiczne materiały TE, a Bi2Te3 i (Bi,Sb)2Te3 są jednymi z najbardziej znanych przykładów. Jednak zarówno Bi, jak i Te są rzadkie i/lub toksyczne, co sprawia, że masowa produkcja materiałów TE o tym składzie jest wyzwaniem2. W oczekiwaniu na wybór spośród chalkogenków rozważane są nowe alternatywy, które uwzględniają nietoksyczność, obfitość ziemi i wydajność TE. Dwa układy, które spełniają te kryteria, to siarczki miedzi Cu2-xS i selenek cyny SnSe.
Siarczki miedzi są często obecne w przyrodzie jako minerały w kilku składach, z chalkocytem Cu2S i kowellitem CuS jako elementami granicznymi. Pomiędzy nimi istnieje kilka związków niestechiometrycznych3. Wśród nich Cu1.97S i Cu1.98S, o interesujących właściwościach, zostały już zsyntetyzowane przez bezpośrednie stopienie pierwiastków Cu i S4,5. Również digenit Cu1.8S jest szczególnie interesujący dla termoelektryków.
Selenek cyny SnSe reprezentuje wysoką wartość TE wśród chalkogenków. Synteza w temperaturze 1223 K przez ponad 9,5 godziny doprowadziła do jego ultraniskiej przewodności cieplnej i wynikającej z niej wysokiej sprawności termoelektrycznej6. Nie badano zjawisk towarzyszących.
Szlaki syntezy siarczków miedzi i selenków cyny obejmują głównie obróbkę prekursorów reakcji w wysokiej temperaturze4,7,8,9,10. Istnieją jednak również alternatywne, bardziej przyjazne dla środowiska metody syntezy, takie jak synteza mechanochemiczna3,11,12,13. Mechanochemiczna synteza chalkogenków z pierwiastków może w pewnych okolicznościach zachodzić jako mechanicznie indukowana reakcja samopropagacji (MSR), która jest procesem podobnym do spalania, w wyniku którego produkty uzyskuje się w bardzo krótkim czasie14,15,16. Dla obu systemów opisanych w tym badaniu podano MSR - dla Cu1,8S zostało to zrobione natychmiast, chociaż stosunek Cu:S 1,6 musiał być użyty ze względu na lotność siarki16,17, a dla SnSe wystąpił w około 15 s16.
Zapłonowi MSR towarzyszy nagły wzrost temperatury i ciśnienia. Po monitorowaniu tych cech za pomocą specjalnie zaprojektowanych słoików do mielenia, możliwe jest określenie początku MSR. Jednak dostępne na rynku urządzenia do monitorowania planetarnego mielenia kulowego oferują tylko zbieranie danych co 2 s, a ze względu na lokalizację czujników, MSR można wykryć tylko za pomocą monitorowania ciśnienia, a nie za pomocą temperatury one16,18. Co więcej, wspomniany system nie jest zbywalny i może być zarówno zakupiony, jak i używany tylko razem ze specjalnie zaprojektowanym słoikiem do mielenia, co jest zarówno ograniczające, jak i kosztowne. Niedawno opracowaliśmy przenośne urządzenie, które jest w stanie zbierać dane o temperaturze co 80 ms19. Ten zaawansowany system pomiarowy opracowany do monitorowania temperatury in situ podczas syntezy mechanochemicznej znacznie zwiększa możliwości w porównaniu z istniejącymi rozwiązaniami komercyjnymi. System ten wykorzystuje termistor NTC o NRBG104F3435B2F tolerancyjnym poziomie ±1% w temperaturze 25 °C i tolerancji wartości beta ±1%, co zapewnia bardzo precyzyjne pomiary temperatury. Dzięki częstotliwości przechwytywania danych co 80 milisekund, system zapewnia monitorowanie w wysokiej rozdzielczości, które ma kluczowe znaczenie dla wykrywania inicjacji MSR. Wysoka czułość termistora na zmiany temperatury, na którą wskazuje stroma zależność między rezystancją a temperaturą, zapewnia dokładne wykrywanie gwałtownych skoków temperatury. Czujnik temperatury jest strategicznie umieszczony w istniejącym mechanizmie śrubowym służącym do uwalniania ciśnienia i dodawania gazu, umieszczonym w otworze masywnej nasadki. Takie umiejscowienie chroni czujnik przed kolizjami mechanicznymi i szumem sygnału powodowanym przez kule frezujące, zapewniając stabilne i wiarygodne odczyty temperatury. Ograniczeniem jest to, że średnica kuli musi być większa niż średnica otworu. Z kulkami 10 mm nie ma problemu. Możliwość komunikacji bezprzewodowej systemu i solidny mechanizm uszczelniający zapobiegają wyciekom materiału lub ciepła, zwiększając w ten sposób niezawodność i dokładność danych dotyczących temperatury zbieranych podczas procesu mielenia. Zaprojektowany tak, aby był ekonomiczny i przenośny, system ten stanowi znaczący postęp w monitorowaniu temperatury reakcji chemicznych w czasie rzeczywistym podczas planetarnego mielenia kulowego, oferując kluczowe informacje na temat optymalizacji syntezy materiałów.
To badanie ma na celu zademonstrowanie wydajności tego nowo opracowanego urządzenia poprzez monitorowanie temperatury podczas mechanochemicznej syntezy dwóch wybranych chalkogenków metali, które są interesujące dla zastosowań TE. Kolejnym celem jest pokazanie zrównoważonego, prostego i oszczędzającego czas charakteru syntezy mechanochemicznej, która jest wzmacniana, gdy reakcja zachodzi jako MSR.