По статистике, более 60% энергии в мире теряется, в основном в виде отработанного тепла. Использование отработанного тепла для применения термоэлектричества (ТЭ) имеет большой потенциал. TE предлагает подходящий метод преобразования отработанного тепла в электрическую энергию. Можноупомянуть специальные применения, такие как источники электрической энергии в радиоактивных термоэлектрических генераторах для космических исследований и/или замена старых батарей Hg-Zn в кардиостимуляторах.
Среди различных материалов ТЭ халькогениды относятся к числу фаворитов, особенно если они состоят из обильных и нетоксичных элементов. Халькогениды с содержанием теллура, свинца и германия в прошлом были отмечены как перспективные материалы TE, причем наиболее яркими примерами являются Bi2Te3 и (Bi,Sb)2Te3 . Тем не менее, как Bi, так и Te являются редкими и/или токсичными, что затрудняет массовое производство материалов TE с этим составом2. В ожидании выбора среди халькогенидов рассматриваются новые альтернативы, которые учитывают нетоксичность, содержание в почве и эффективность TE. Двумя системами, которые соответствуют этим критериям, являются сульфиды меди Cu2-xS и селенид олова SnSe.
Сульфиды меди часто присутствуют в природе в виде минералов в нескольких составах, с халькоцитом Cu2S и ковеллитом CuS в качестве пограничных элементов. Между ними существует несколько нестехиометрических соединений3. Среди них уже синтезированы Cu1,97S и Cu1,98S, обладающие интересными свойствами, при непосредственном плавлении элементов Cu и S 4,5. Кроме того, дигенит Cu1,8S особенно интересен для термоэлектриков.
Селенид олова SnSe имеет высокий показатель TE среди халькогенидов. Синтез при 1223 К в течение более 9,5 ч привел к его сверхнизкой теплопроводности и последующему высокому термоэлектрическому КПД6. Сопутствующие явления не изучались.
Пути синтеза сульфидов меди и селенидов олова охватывают в основном высокотемпературную обработку предшественников реакций 4,7,8,9,10. Тем не менее, существуют и альтернативные, более экологически безопасные пути синтеза, такие как механохимический синтез 3,11,12,13. Механохимический синтез халькогенидов из элементов может при некоторых обстоятельствах происходить в виде механически индуцированной самораспространяющейся реакции (MSR), которая представляет собой процесс, похожий на горение, с мгновенным образованием продуктов в оченькороткие сроки. Для обеих систем, о которых сообщалось в этом исследовании, было сообщено о MSR - для Cu1,8S это было сделано мгновенно, хотя соотношение Cu:S 1,6 необходимо было использовать из-за летучести серы16,17, а для SnSe это произошло примерно за 15 с16.
Воспламенение MSR сопровождается резким повышением температуры и давления. Контролируя эти характеристики с помощью специально разработанных размольных стаканов, можно определить начало MSR. Однако коммерчески доступные устройства для планетарного контроля шарового помола предлагают только сбор данных каждые 2 с, а из-за расположения датчиков MSR может быть обнаружен только с помощью контроля давления, а также по температуре16,18. Кроме того, упомянутая система не подлежит передаче и может быть как приобретена, так и использована только вместе со специально разработанным отмельным стаканом, что является как ограничивающим, так и дорогостоящим. Недавно мы разработали портативное устройство, способное собирать данные о температуре каждые 80мс19. Эта усовершенствованная измерительная система, разработанная для мониторинга температуры in situ во время механохимического синтеза, значительно расширяет возможности по сравнению с существующими коммерческими решениями. В этой системе используется термистор NRBG104F3435B2F NTC с допуском сопротивления ±1% при 25 °C и допуском бета-значения ±1%, что обеспечивает высокоточные измерения температуры. Благодаря частоте сбора данных каждые 80 миллисекунд система обеспечивает мониторинг с высоким разрешением, что имеет решающее значение для обнаружения возникновения MSR. Высокая чувствительность термистора к изменениям температуры, на которую указывает крутое соотношение сопротивления и температуры, обеспечивает точное обнаружение быстрых скачков температуры. Датчик температуры стратегически размещен внутри существующего винтового механизма, используемого для сброса давления и добавления газа, расположенного в отверстии массивного колпачка. Такое расположение защищает датчик от механических столкновений и шума сигнала, вызванного фрезерующими шарами, обеспечивая стабильные и надежные показания температуры. Ограничение заключается в том, что диаметр шарика должен быть больше диаметра отверстия. С шариками 10 мм проблем нет. Возможность беспроводной связи системы и прочный механизм уплотнения предотвращают утечку материала или тепла, тем самым повышая надежность и точность данных о температуре, собираемых в процессе фрезерования. Эта система, разработанная как экономичная и портативная, представляет собой значительный шаг вперед в мониторинге температуры химических реакций в режиме реального времени во время планетарного шарового измельчения, предлагая критически важную информацию для оптимизации синтеза материалов.
Данное исследование направлено на демонстрацию производительности этого недавно разработанного устройства путем мониторинга температуры во время механохимического синтеза двух выбранных халькогенидов металлов, которые представляют интерес для применения в ТЭ. Другая цель состоит в том, чтобы показать устойчивый, простой и экономящий время характер механохимического синтеза, который ускоряется, когда реакция происходит в виде MSR.