Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)

Abstract

Досліджено електропровідні властивості системи порошковий титан — багатошарові вуглецеві нанотрубки (БВНТ) у процесах встановлення між її компонентами електричних контактів при деформації стискання. Спостерігається утворення композитів, яке супроводжується зростанням електропровідності матеріалу, що зумовлено переносом електронів з частинок металу до БВНТ. Показано, що використання композитів метал — вуглецеві наноструктури відкриває шлях до створення «холодних» катодів термоемісійних перетворювачів (ТЕП), які можуть працювати від низькотемпературних джерел енергії. Використання катода з композиту Ti — терморозширений графіт при опроміненні ТЕП концентрованим сонячним світлом дозволило вперше спостерігати напругу і постійний струм за температур 170–350°C, що є до 9 разів нижчими за робочі температури традиційних ТЕП, виготовлених з тугоплавких металів. При цьому струм спостерігався в замкненому електричному колі без прикладання додаткової зовнішньої різниці потенціалів. Встановлені механізми генерації струму і напруги у ТЕП з композитним катодом дозволили сформулювати фізичні принципи побудови «холодних» електродів для прямих емісійних перетворювачів концентрованої сонячної енергії на електричну.

The electrical conductive properties of the titanium (Ti) powder - multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) system in the processes of appearance electrical contacts between its components under compression deformations are studied. There is the formation of composites, which is accompanied by an increase in the electrical conductivity of the material more than 5 times compared to the original components when the concentration of MWCNTs approaches 15 wt. %. This effect is due to the transfer of electrons from metal particles to MWCNTs. It is shown that the use of metal–carbon nanostructure composites opens the way to the creation of ‘cold’ cathodes for thermionic energy converters (TECs) that can operate from low-temperature energy sources. The Ti–thermoexpanded graphite (TEG) composite cathode under the irradiation of TEC with concentrated sunlight allowed for the first time to observe voltage and direct current at temperatures of 170–350°C. These values are up to 9 times lower than the operating temperatures of traditional TECs made of refractory metals. Furthermore, the current was observed in a closed electrical circuit without the application of additional external potential difference. Changes in the composite sample surface morphology under the action of concentrated solar radiation at the stage of preliminary annealing of samples at temperatures above 270–310°C play a significant role. During annealing on the metal particles surface of the composite, the carbon nanostructures (from TEG component) are formed in the form of separately located cylindrical outgrowths with a diameter of 20–80 nm, which can provide a significant increase in the contribution from autoelectron emission based on temperature-independent tunneling mechanism. The established mechanisms of current and voltage generation in TECs with composite cathodes allowed formulating the physical principles of ‘cold’ electrodes construction for direct emission converters of concentrated solar energy into electricity.