مواد كهروحرارية
مواد ذات أهمية > المواد الحرارية الكهربائية المصنوعة من كبريتيد النحاس المستبدل بالكاتيون

جرى تضمين جميع المتغيرات المذكورة في معادلة رقم الجدارة zT ، والتي يمكن رؤيتها في الجزء العلوي من هذه الصفحة. الهدف من أي تجربة حرارية كهربائية هو جعل معامل القدرة، S2σ ، أكبر مع الحفاظ على موصلية حرارية صغيرة. يرجع ذلك إلى أن الكهرباء يجري إنتاجها من خلال تدرج درجة الحرارة، وبالتالي فإن المواد التي يمكنها تحقيق التوازن الحراري بسرعة كبيرة ليست مفيدة. وُجِد أن المُركبين المفصلين أدناه يتمتعان بخواص حرارية كهربائية عالية الأداء، ويمكن إثبات ذلك من خلال الرقم القياسي المذكور في كل من المخطوطتين المعنيتين.
كوبروكالينينيت Cuprokalininite (CuCr2S4) هو نظير مهيمن من النحاس لمعدن الجوغولدشتاينيت joegoldsteinite. عُثر عليه مؤخرًا داخل الصخور المتحولة في سليوديانكا، وهي جزء من منطقة جنوب بايكال في روسيا، وقد قرر الباحثون أن الكوبروكالينينيت المضاف إليه الأنتيمون (Cu1-xSbxCr2S4 ) يُظهر نتائج واعدة في مجال التقنية المتجددة. التنشيط Doping هو عملية إضافة شوائب بشكل متعمد، وعادة ما يكون ذلك لتعديل الخصائص الكهروكيميائية لمادة البذور. يعمل إدخال الأنتيمون على تعزيز معامل القدرة عن طريق إدخال إلكترونات إضافية، مما يزيد من معامل سيبيك، S ، ويقلل من العزم المغناطيسي (مدى احتمالية محاذاة الجسيمات مع المجال المغناطيسي)؛ كما أنه يشوه البنية البلورية، مما يقلل من الموصلية الحرارية، κ . تمكن خان وآخرون (2017) من اكتشاف الكمية المثلى لمحتوى الأنتيمون (x=0.3) في النحاس والكالسيوم من أجل تطوير جهاز بقيمة ZT تبلغ 0.43.
البورنيت (Cu5FeS4) هو معدن كبريتيدي سمي على اسم عالم معادن نمساوي، على الرغم من أنه أكثر شيوعًا من الكوبروكالينينيت المذكور أعلاه. وُجِد أن خام هذا المعدن أظهر أداءً حراريًا كهربائيًا محسّنًا بعد إجراء تبادل الكاتيون مع الحديد. تبادل الكاتيون هو عملية إحاطة البلورة الأم بمجمع إلكتروليت، بحيث يمكن تبديل الكاتيونات (الأيونات المشحونة إيجابيا) داخل الهيكل بتلك الموجودة في المحلول دون التأثير على الشبكة الفرعية للأنيون (شبكة البلورات المشحونة سلبًا). ما تبقى لدينا هو بلورات ذات تركيبة مختلفة، ولكنها تتمتع بإطار متطابق. بهذه الطريقة، أمكن منح العلماء سيطرة مورفولوجية شديدة وتوحيدًا عند إنشاء هياكل غير متجانسة معقدة. أما لماذا كان يُعتقد أنه يحسن قيمة ZT، فإن آليات تبادل الكاتيون غالبًا ما تؤدي إلى عيوب بلورية، مما يتسبب في تشتت الفونونات (ببساطة، جزيئات الحرارة). وفقًا لصيغة ديباي-كالاواي، وهو نموذج يستخدم لتحديد الموصلية الحرارية للشبكة، κL ، فإن السلوك غير المتناغم للغاية بسبب تشتت الفونون يؤدي إلى مقاومة حرارية كبيرة. وبالتالي، فإن كثافة العيب الأكبر تؤدي إلى انخفاض التوصيل الحراري للشبكة، مما يجعل الرقم أكبر. وفي الختام، أفاد لونج وآخرون أن نقص النحاس الأكبر أدى إلى زيادة تصل إلى 88% في قيمة ZT، بحد أقصى 0.79.
يمكن أن يختلف تكوين الأجهزة الحرارية الكهربائية بشكل كبير اعتمادًا على درجة حرارة الحرارة التي يجب أن تحصدها؛ مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن أكثر من 80% من نفايات الصناعة تقع ضمن نطاق 373-575 كلفن، فإن الكالكوجينيدات والأنتيمونيدات أكثر ملاءمة للتحويل الحراري الكهربائي لأنها يمكن أن تستخدم الحرارة في درجات حرارة أقل. لا يعد الكبريت أرخص وأخف الكالكوجينيد فحسب، بل إن الفوائض الحالية قد تشكل تهديدًا للبيئة نظرًا لأنه منتج ثانوي لالتقاط النفط، وبالتالي فإن استهلاك الكبريت يمكن أن يساعد في تخفيف الأضرار المستقبلية. أما بالنسبة للمعدن، فإن النحاس هو جسيم بذرة مثالي لأي نوع من طرق الاستبدال بسبب قدرته العالية على الحركة وحالة الأكسدة المتغيرة، لأنه يمكنه موازنة أو استكمال شحنة الكاتيونات الأكثر صلابة. لذلك، فإن كل من معدن الكوبروكالينيت أو معدن البورنيت قد يكونان من المكونات الحرارية الكهربائية المثالية.