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

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,...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2021
Автор:	Михайлова, Г.Ю.
Формат:	Стаття
Мова:	Ukrainian
Опубліковано:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2021
Назва видання:	Вісник НАН України
Теми:	Молоді вчені
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180283
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.) / Г.Ю. Михайлова // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 5. — С. 54-62. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-180283
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1802832021-09-08T01:26:08Z Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.) Михайлова, Г.Ю. Молоді вчені 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. 2021 Article Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.) / Г.Ю. Михайлова // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 5. — С. 54-62. — Бібліогр.: 16 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2021.05.054 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180283 uk Вісник НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Ukrainian
topic	Молоді вчені Молоді вчені
spellingShingle	Молоді вчені Молоді вчені Михайлова, Г.Ю. Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.) Вісник НАН України
description	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.
format	Article
author	Михайлова, Г.Ю.
author_facet	Михайлова, Г.Ю.
author_sort	Михайлова, Г.Ю.
title	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)
title_short	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)
title_full	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)
title_fullStr	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)
title_full_unstemmed	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.)
title_sort	функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 31 березня 2021 р.)
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate	2021
topic_facet	Молоді вчені
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/180283
citation_txt	Функціоналізація нанокомпозитів для альтернативної енергетики (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 р.) / Г.Ю. Михайлова // Вісник Національної академії наук України. — 2021. — № 5. — С. 54-62. — Бібліогр.: 16 назв. — укр.
series	Вісник НАН України
work_keys_str_mv	AT mihajlovagû funkcíonalízacíânanokompozitívdlâalʹternativnoíenergetikizamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni31bereznâ2021r
first_indexed	2025-07-15T20:08:17Z
last_indexed	2025-07-15T20:08:17Z
_version_	1837744887289610240
fulltext	54 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (5) ФУНКЦІОНАЛІЗАЦІЯ НАНОКОМПОЗИТІВ ДЛЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЇ ЕНЕРГЕТИКИ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 31 березня 2021 року Досліджено електропровідні властивості системи порошковий титан — багатошарові вуглецеві нанотрубки (БВНТ) у процесах встановлення між її компонентами електричних контактів при деформації стискання. Спо- стерігається утворення композитів, яке супроводжується зростанням електропровідності матеріалу, що зумовлено переносом електронів з час- тинок металу до БВНТ. Показано, що використання композитів метал — вуглецеві наноструктури відкриває шлях до створення «холодних» като- дів термоемісійних перетворювачів (ТЕП), які можуть працювати від низькотемпературних джерел енергії. Використання катода з композиту Ti — терморозширений графіт при опроміненні ТЕП концентрованим со- нячним світлом дозволило вперше спостерігати напругу і постійний струм за температур 170–350°C, що є до 9 разів нижчими за робочі темпера- тури традиційних ТЕП, виготовлених з тугоплавких металів. При цьому струм спостерігався в замкненому електричному колі без прикладання до- даткової 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. Ключові слова: концентрована сонячна енергія, низькотемпературні термоелектричні перетворювачі, композити метал–наноструктурований вуглець. Технологічний розвиток супроводжується прискореним зрос- танням енергетичних потреб, які сьогодні людство задовольняє переважно спалюванням викопного палива та використанням ядерної енергії. Масове використання цих джерел енергії при- зводить до накопичення в атмосфері надлишкового вуглекис- лого газу, зміни теплового балансу Землі та зростання ядерних ризиків. Обмеженість запасів цих видів палива та суттєве за- бруднення навколишнього середовища через їх використання актуалізують дослідження і впровадження методів та засобів використання альтернативних джерел енергії. МИХАЙЛОВА Галина Юріївна — кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник відділу електронної структури та електронних властивостей Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України doi: https://doi.org/10.15407/visn2021.05.054МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 5 55 МОЛОДІ ВЧЕНІ Найпомітніших успіхів на цьому шляху було досягнуто в гідро- та вітроенергетиці. Остан- нім часом значна частка електроенергії виро- бляється прямим перетворенням теплової та променистої енергії на електричну за допомо- гою термо- і фотоелектричних перетворювачів. Перевагами сонячної енергетики є практична невичерпність цього джерела енергії, його еко- логічна чистота та безпечність, зокрема відсут- ність теплового забруднення. Однак викорис- тання фотовольтаїки потребує великих площ для розміщення сонячних ферм через низьку питому потужність сонячних панелей (пито- ма потужність традиційного ТЕПа становить ~30 Вт/см2, а сонячної батареї — ~0,05 Вт/см2, тобто на 3 порядки нижча). Крім того, вироб- ництво та утилізація сонячних панелей істотно забруднюють навколишнє середовище. Відомо, що більш потужними є термоемі- сійні прямі перетворювачі теплової енергії на електричну, які до того ж можуть виготовляти- ся з нетоксичних матеріалів. В Інституті металофізики ім. Г.В. Курдю- мова НАН України вже тривалий час прово- дяться дослідження з розроблення, синтезу та підвищення ефективності термоелектричних перетворювачів у рамках «зелених» техноло- гій, новітніх матеріалів для водневої енерге- тики та для високотемпературного прямого термоемісійного перетворення енергії. Остан- нім часом проводиться також пошук матеріа- лів для низькотемпературних термоемісійних перетворювачів (ТЕПів). На відміну від ви- сокотемпературних аналогів, розрахованих на утилізацію теплової енергії високотемпера- турної фази згоряння органічного або ядерно- го палива, низькотемпературні ТЕПи можуть бути зорієнтовані на використання екологічно безпечної сонячної енергії. Для створення низькотемпературних ТЕПів необхідно зменшити роботи виходу їх елек- тродів, що, як свідчать результати наших до- сліджень, можливо лише за умови ускладнен- ня структури та принципів функціонування ТЕПів. Тривалий час прогрес у цій сфері стримувався відсутністю необхідних матеріа- лів і технологій. Розвиток нанотехнологій та поява нових наносистем прискорили пошук ефективних і дешевих матеріалів для прямих термофотоемісійних перетворювачів сонячної енергії на електричну. Високотемпературний термоемісійний пе- ретворювач. Дія традиційного термоемісій- ного перетворювача заснована на доволі про- стих принципах. З гарячого електрода (еміте- ра) відбувається емісія електронів, які через вакуумну щілину потрапляють на холодний електрод (колектор) [1, 2]. У результаті емітер заряджається позитивно, а колектор — нега- тивно. Між ними виникає різниця потенціалів, величина якої залежить від різниці робіт вихо- ду електродів (рис. 1). Роботи зі створення ефективного високо- температурного ТЕПа з різною інтенсивністю тривають уже близько 60 років [3, 4]. За цей час було розроблено та успішно випробувано низку дослідних зразків відповідних енерго- установок для перетворення теплової енергії ядерного палива на електричну з метою жив- лення бортових приладів космічних апаратів. Подальше вдосконалення традиційних ТЕПів пов’язане не стільки з інженерним поліпшен- ням їх конструкції, скільки з пошуками нових електродних матеріалів із заданими емісій- ними характеристиками [5] та вибором опти- мальних режимів роботи. Головним недоліком традиційного термо- емісійного перетворення енергії для потреб як наземної, так і космічної енергетики є необхід- Рис. 1. Принципова схема прямого термоемісійного перетворювача теплової енергії на електричну 56 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (5) МОЛОДІ ВЧЕНІ ність нагрівання катода до високих температур [6, 7], за яких відбувається інтенсивне випаро- вування навіть тугоплавких металів. Через це ТЕПи з високою густиною потужності та робо- чими температурами, вищими за 1400 °С, досі не набули широкого застосування. Крім того, високотемпературні джерела тепла є менш тех- нологічними і доступними для використання, ніж низькотемпературні. Тому розвиток пря- мих емісійних перетворювачів теплової та про- менистої енергії на електричну в діапазоні робо- чих температур 300–600 °С є актуальним. Таких температур можна легко досягти нагріванням матеріалів невеликими концентраторами со- нячного випромінювання. При цьому необхід- но синхронно зменшувати роботу виходу як на катоді, так і на аноді, оскільки різниця між ними визначає напругу, яку видаватиме ТЕП. Низькотемпературний термоемісійний пе- ретворювач. Сьогодні з’явилися нові матері- али і технології, які уможливлюють вирішен- ня проблеми низькотемпературного термо- емісійного перетворення сонячної енергії на електричну. Так, останніми роками увагу до- слідників привертають рекордно високі авто- емісійні характеристики вуглецевих нанотру- бок (ВНТ) [8]. Автоелектронна емісія з катода завдяки квантово-механічній природі процесу тунелювання не потребує нагрівання, а тому наноструктури з великим аспектним відно- шенням є найбільш енергетично ефективними і можуть успішно конкурувати з традиційними катодними матеріалами. Дійсно, у попередніх роботах, у яких дослі- джувалося пряме емісійне перетворення кон- центрованого сонячного випромінювання на електричну енергію, було показано [10, 11], що порівняно з металевими катодами [9] вугле- цеві нанотрубки є більш ефективним емітером електронів. Так, при нагріванні катода, виго- товленого з суміші вуглецевих і бор-нітридних нанотрубок з добавками цезію, концентрова- ним сонячним випромінюванням до 400°С між електродами виникав дуговий розряд з емісій- ним струмом до 0,1 А/см2, а значення електро- рушійної сили сягали 2,5 В [12]. При моделю- ванні процесу перетворення сонячного випро- мінювання лазерними (YAG:Nd) імпульсами мілісекундної тривалості для катодів із суміші LaNi5 + ВНТ + Н2О + Cs було отримано струми до 10 А/см2. Встановлено, що як для електро- дів з тугоплавких металів (W, Mo) [7, 13], так і для «холодних» (до 600 °С) електродів [14] на ефективність прямого перетворення теплової енергії на електричну суттєво впливають тиск і склад залишкової атмосфери у вакуумній ка- мері, чистота і адсорбційні (переважно щодо Cs) властивості поверхонь електродів. Реалізація ідеї прямого перетворення со- нячної енергії на електричну емісійним спосо- бом за низьких температур можлива в разі ви- користання як катодних матеріалів метал-на- новуглецевих композитів [14–16]. Відомо, що металам властива висока концентрація носіїв заряду, але низька їх рухливість, а у вуглецевих наноструктурах, навпаки, низька концентра- ція носіїв заряду поєднується з їх дуже висо- кою рухливістю вздовж графенових площин, яка на 3–4 порядки вища, ніж у металах. Ство- рення метал-вуглецевих композитів відкриває перспективи для поєднання переваг обох цих типів матеріалів та отримання якісно нових ха- рактеристик, не притаманних як жодній з ви- хідних систем, так і звичайній суміші порошків компонентів. При цьому частинки металу для провідної мережі з вуглецевих наноструктур в об’ємі композиту переважно відіграють роль постачальника вільних електронів, а утворені після попереднього відпалу на поверхні час- тинок металу вуглецеві наноструктури з ши- рокими забороненими зонами, характерними для sp3-гібридизованого вуглецю, можуть мати від’ємну спорідненість до електрона, яка спро- щує автоелектронну емісію. Це дає змогу ви- користовувати вуглецеві наноструктури для надання необхідних функціональних власти- востей новим композитним матеріалам, тобто для функціоналізації дрібнодисперсних по- рошків металів з метою створення електродів низькотемпературних термоемісійних пере- творювачів. З іншого боку, частинки металу також змі- нюють властивості вуглецевої компоненти композиту, не лише збільшуючи електронну ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 5 57 МОЛОДІ ВЧЕНІ Рис. 3. Деформаційні залежності електропровідності порошків Ті (а) та композиту Ті–ТРГ (б) [14] концентрацію, а й відіграючи роль скріплю- вального каркасу та джерела сильно нерівно- важних «гарячих» електронів, збуджених со- нячним випромінюванням, які можуть з біль- шою ймовірністю тунелювати крізь тонкий шар sp3-гібридизованого аморфного вуглецю з малою спорідненістю до електрона та покида- ти катод за низьких температур. Також з точки зору функціоналізації композитного матері- алу важливу роль відіграють неоднорідності електронної структури (які формують, зокре- ма, адсорбовані іони цезію) та геометрія по- верхні. При цьому напруженість електричного поля навколо об’єктів з високим аспектним відношенням (вістря ВНТ, тонкі леза графе- нових площин, пухирці аморфного вуглецю на поверхні металевих частинок) може зрос- тати на кілька порядків, що згідно з ефектом Шотткі значно зменшує потенціальний бар’єр для електронів і тим самим сприяє зростанню частки електронів, що виходять з катода за до- помогою тунельного механізму (рис. 2). Нові катодні матеріали створено механіч- ним змішуванням вуглецевих наноструктур та дрібнодисперсних порошків металів, напри- клад титану та ВНТ або терморозширеного графіту (ТРГ). Значні зміни в їх механічних та електричних характеристиках (див. табл.) свідчать про утворення композитів з новими якостями. Для дослідження електропровід- них властивостей отримані системи поміща- Рис. 2. Ілюстрація ефектів Шотткі та зростання на- пруженості електричного поля в околі ВНТ з великим аспектним відношенням [8] Максимальні значення електропровідності σmax та відносної деформації ε порошкових композитів та їх чистих компонент [14] Склад зразка (мас. %) σmax, (Ом×см)–1 ε, % Ti 11,94 2,0 ТРГ 4,72 18,0 Ti+0,3 %ТРГ 23,70 7,3 Ti+1,5 %ВНТ+1,5 %ТРГ 19,75 5,8 58 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (5) МОЛОДІ ВЧЕНІ лися в діелектричний циліндр під поршнем. При зменшенні об’єму одержаних сумішей їх електропровідність зростала до деякого мак- симального значення (σmax). Після досягнення максимально можливого стиснення проводи- лися розвантаження та вимірювання електро- провідності при зворотному ході поршня. На рис. 3 наведено деформаційні залежності електропровідності порошкових титану та ком- позиту Ті–ТРГ. Можна бачити, що для порош- ку титану характерна майже повна відсутність пружної складової при його деформації — від- новлення форми практично не відбувається (рис. 3а). Додавання до порошку Ті малої част- ки ТРГ несуттєво підвищує пружні характерис- тики композиту, але істотно збільшує макси- мальне значення електропровідності (див. табл. та рис. 3б). Це відбувається, по-перше, через заповнення порожнин між частинками металу нановуглецевим матеріалом, провідність якого при стисканні композиту зростає завдяки появі в його об’ємі провідних містків з вуглецевих на- ношарів, яким притаманна значно більша, ніж у Ті, рухливість зарядів уздовж графенових пло- щин. По-друге, вуглецеві наношари мають чис- ленні контакти з частинками Ті, що приводить до зростання у вуглецевій компоненті кількості вільних електронів. Аналогічні ефекти спостерігаються й у ви- падку змішування порошку титану з багато- стінними ВНТ (БВНТ) у процесах встанов- лення між компонентами електричних кон- тактів за деформації стискання. Максимальні значення на деформаційних залежностях електропровідності систем Ti–БВНТ з різни- ми концентраціями БВНТ наведено на рис. 4 [16]. Видно, що в разі збільшення концентра- ції БВНТ до 15 мас. % утворення композиту супроводжується зростанням електропровід- ності матеріалу більш ніж у 5 разів порівняно з вихідним порошком титану, а за ще більших концентрацій БВНТ електропровідність змен- шується до значень, характерних для чистого масиву БВНТ. Подібні зміни електропровідності виявлено й для інших систем, наприклад для LaNi5–ВНТ [15]. У цих системах також спостерігався зна- чний зсув управо максимуму концентрацій- них залежностей електропровідності зі змен- шенням у композиті розміру частинок LaNi5 (рис. 4). Зазначимо, що композити на основі титану з ВНТ мають майже на порядок більші значення електропровідності, ніж композити на основі LaNi5 з ВНТ. Отже, композитні матеріали типу метал‒ ВНТ та метал‒ТРГ набувають нових якостей, яких не було у жодної з їх вихідних компо- нент, що робить такі композити перспектив- ними для виготовлення «холодних» катодів термофотоемісійних перетворювачів, для яких важливими є як високі показники електропро- відності, так і геометрія поверхні, а саме, наяв- ність окремо розташованих елементів поверхні композиту у вигляді гострих голок нанотрубок або лез графенових шарів. В умовах опромінення в концентраторі со- нячного світла на ТЕПі з катодом, виготов- леним з композиту Ti–0,3 мас. % ТРГ, уперше спостерігали [14] напругу і постійний струм за температур 170–350 °C, що є в 3–9 разів нижчими за робочі температури традиційних ТЕПів з тугоплавких металів. При цьому Рис. 4. Залежності від концентрації ВНТ максималь- них значень електропровідності систем Ti–ВНТ та систем LaNi5–ВНТ з різними розмірами частинок ме- талу [15, 16]. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 5 59 МОЛОДІ ВЧЕНІ струм спостерігався в замкненому електрич- ному колі без прикладання додаткової зовніш- ньої різниці потенціалів. Отримані залежності від температури T на- пруги U та сили струму I в електричному колі, де ТЕП виконує роль джерела ЕРС, наведено на рис. 5. Ці дані підтверджують можливість створення «холодних» катодів для термофото- Рис. 5. Залежності напруги U на ТЕПі з Ti–ТРГ-катодом (а) та відповідної сили постійного струму I (б) від тем- ператури T [14] емісійних перетворювачів на основі метал-на- новуглецевих композитів. Було виявлено зміну морфології поверхні та хімічного складу зразка композиту Ti–ТРГ під дією концентрованого сонячного випро- мінювання та спричиненого ним нагріву. Тем- ператури, вищі за 150 °C, є критичними для процесів структурної реконструкції поверхні Рис. 6. Електронна мікроскопія поверхні катоду з композиту Ті–ТРГ до (а, б) і після (в, г) впливу концентрованого сонячного випромінювання [14] 60 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (5) МОЛОДІ ВЧЕНІ композиту. Після попереднього відпалу зразка на сонці за температур понад 270–310 °С його поверхня стала більш розвиненою завдяки ви- діленню ТРГ з окремих малих порожнин між частинками Ti та утворенню на цих частинках суцільного шару з аморфного вуглецю (зна- чною мірою sp3-гібридизованого) (рис. 6). Розвиненість поверхні цього шару забезпе- чують нові вуглецеві наноструктури, які мають вигляд окремо розташованих циліндричних наростів з діаметром 20–80 нм і можуть бути додатковими джерелами електронної емісії, підвищуючи емісійну ефективність катода та зменшуючи його робочу температуру завдяки їх малій товщині та від’ємній спорідненості вуглецю в sp3-гібридизованому стані до елек- тронів. Слід також зазначити, що принципово важ- ливу роль у забезпеченні роботи досліджу- ваних «холодних» катодів відіграють тиск залишкової атмосфери та її склад, особливо наявність іонів цезію у вакуумній щілині та їх адсорбція на робочих поверхнях електродів. Висновки. Отже, проведені дослідження показали, що у функціоналізованих вуглеце- вими наноструктурами композитах на основі порошків металів спостерігаються суттєві змі- ни механічних та електричних характеристик. Це дозволяє використовувати такі композити при створенні електродів для низькотемпера- турних термоемісійних перетворювачів, для яких важливими є як високі показники не- рівноважності електронної підсистеми, так і електронна структура та морфологія поверхні електродів. Актуальність та перспективність цих дослі- джень полягає не лише в можливості задіяння альтернативних джерел енергії та зменшення екологічних загроз, а й у більшій поширеності та доступності низькотемпературних (менш як 600°C) джерел енергії. Таких температур мож- на легко досягти, використовуючи невеликі (навіть переносні) концентратори сонячного випромінювання. Однак необхідність одно- часного контролю великої кількості параме- трів термоемісійної системи досі не дозволяє перейти від переважно теоретичного розгляду низькотемпературного перетворення енергії до широкої практичної реалізації таких ТЕПів. Досягнуті нами під час експерименту робочі температури є в кілька разів меншими за всі ві- домі з літератури аналогічні показники не лише для ТЕПів на основі тугоплавких металів, а й для систем з «холодними» електродами. При цьому встановлені механізми генерації струму і напруги у низькотемпературних термоемісій- них перетворювачах теплової та променистої енергії на електричну дозволяють сформулю- вати фізичні принципи побудови та оптимі- зації властивостей «холодних» метал-вугле- цевих електродів. Зокрема, складна проблема зменшення температури, за якої відбувається емісія електронів, може бути розв’язана лише в разі задіяння більш складних і комплексних процесів, ніж за умов звичайної термічної та/ або польової емісії. Загальною ознакою сукуп- ності таких процесів є їх локальність у часі та просторі, що забезпечує поетапність збуджен- ня електронів у наноструктурованому твердо- му тілі шляхом формування популяцій «гаря- чих» електронів у металевих частинках компо- зиту та їх подальшої емісії у вакуум через шари наноструктурованого вуглецю як з малими значеннями спорідненості до електрона, так і з великим аспектним відношенням окремо роз- ташованих елементів рельєфу поверхні. ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2021, № 5 61 МОЛОДІ ВЧЕНІ REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Morgulis N.D. Conversion of thermal energy into electricity with the aid of thermoelectric emission. Soviet Physics Uspekhi. 1960. 3(2): 251–259. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1960v003n02ABEH003270 2. Dobretsov L.N., Gomoyunova M.V. Emission Electronics (Emissionnaya Elektronika). Moscow: Nauka, 1966. (in Rus- sian). [Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. Москва: Наука, 1966.] 3. Ponomarev-Stepnoi N.N. Thermoelectric and thermoemissive converters. Soviet Atomic Energy. 1965. 18(4): 494– 498. DOI: https://doi.org/10.1007/BF01115972 [Пономарев-Степной Н.Н. Термоэлектрические и термоэмиссионные преобразователи. Атомная энергия. 1965. Том 18, № 4. С. 387–389.] 4. Ushakov B.A., Nikitin V.D., Yemelianov I.Ya. Basics of Thermionic Energy Conversion (Osnovy Termoemissionnogo Preobrazovaniya Energii). Moscow: Atomizdat, 1974. (in Russian). [Ушаков Б.А., Никитин В.Д., Емельянов И.Я. Основы термоэмиссионного преобразования энергии. Москва: Атомиздат, 1974.] 5. Patent of Ukraine No. 5428. Dekhtyar I.Ya., Melnykov M.V., Patoka V.I., Shevchenko M.Ya., Sylantyev V.I., Varak- sin B.P., Titkov O.S. Treatment method for electrodes of thermionic electron emitter. 28.12.1994. 6. Dekhtyar I.Ya., Silantev V.I., Sakharova S.G., Fedchenko R.G., Patoka V.I., Kolesnik V.N. Fermi surface anisotropy and properties of tungsten crystals. Physica Status Solidi. B. 1976. 74(2): 471–476. DOI: https://doi.org/10.1002/ pssb.2220740207 7. Varaksin B.P., Titkov A.S., Silantiev V.I., Shevchenko N.A. Emission and adsorption properties of clean and dirty crystal faces (110) of tungsten and their characterisation as an emitter of TEC. Poverkhnost. 1991. 11: 125. 8. Bel’skii M.D., Bocharov G.S., Yeletskii A.V., Sommerer T.J. Electric field enhancement in field-emission cathodes based on carbon nanotubes. Technical Physics. 2010. 80(2): 289–295. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063784210020210 9. Nishchenko M.M., Shevchenko M.Ya., Lisunova Yu.O., Dubovoy A.G., Ruban A.P. Electron Emission of Molybde- num (100) under Action of the Concentrated Solar Radiation. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2007. 29(2): 239–243. 10. Nishchenko M.M., Patoka V.I., Shevchenko M.Ya., Dubovyy A.G., Anikeev V.V. Emission properties of carbon nano- structure materials. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2008. 30(7): 913. 11. Nishchenko M., Shevchenko N., Tsapko E., Frolov G., Sartinskaya L. Emission materials for converting solar energy to electronic. Nano Studies. 2013. (8): 249–254. 12. Sartinska L.L., Bloschanevich O.M., Timofeeva I.I., Nishchenko M.M., Shevchenko N.A. Emission properties of cath- odes based on B–N–C as a result of laser processing. Journal of Non-Crystalline Solids. 2011. 357(6): 1504–1507. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2010.12.035 13. Vasylyev M.O., Len E.G., Kolesnik V.M., Makeeva I.M., Patoka V.I., Smolnik S.V. Plasmon Spectroscopy of W (100) Single Crystal Surface. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2020. 42(4): 471–485. DOI: https://doi.org/10.15407/ mfint.42.04.0471 14. Galstian I.Ye., Len E.G., Tsapko E.A., Mykhaylova H.Yu., Koda V.Yu., Rud M.O., Shevchenko M.Ya., Patoka V.I., Yakymchuk M.M., Frolov G.O. Low-temperature thermionic converters based on metal–nanostructured carbon composites. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2020. 42(4): 451–470. DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.42.04.0451 15. Mykhaylova H.Yu., Nyshchenko M.M., Dubovoy A.H., Prykhod’ko H.P. Electrical conductivity of the nanocompos- ite LaNi5 – carbon nanotubes. In: Advanced topics of theoretical, experimental and applied physics (Aktualni problemy teoretychnoi, eksperymentalnoi ta prykladnoi fizyky): Proc. All-Ukrainian Sci. Conf. (20–22 September 2012, Terno- pil, Ukraine). P. 10–11. (in Ukrainian). [Михайлова Г.Ю., Нищенко М.М., Дубовой А.Г., Приходько Г.П. Электропроводность нанокомпозита LaNi5 – углеродные нанотрубки. В кн.: Актуальні проблеми теоретичної, експериментальної та прикладної фізики: матер. Всеукр. наук. конф. АПТЕПФ-2012 (20-22 вересня 2012 р., Тернопіль, Україна). С. 10–11.] 16. Mykhaylova H.Yu., Len E.G., Galstyan I.Ye., Tsapko E.A., Gerasymov O.Yu., Patoka V.I., Sidorchenko I.M., Yakym- chuk M.M., Electrical and mechanical properties of composites Ti–carbon nanotubes. Metallofiz. Noveishie Tekhnol. 2020. 42(4): 575–593. DOI: https://doi.org/10.15407/mfint.42.04.0575 62 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2021. (5) МОЛОДІ ВЧЕНІ Halina Yu. Mykhailova Kurdyumov Institute for Metal Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, Ukraine ORCID: https://orcid.org/0000-0002-8187-7941 FUNCTIONALIZATION OF NANOCOMPOSITES FOR ALTERNATIVE ENERGY According to the scientific report at the meeting of the Presidium of the NAS of Ukraine, March 31, 2021 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 nano- structure 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 tem- peratures 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 ad- ditional external potential difference. Changes in the composite sample surface morphology under the action of concen- trated solar radiation at the stage of preliminary annealing of samples at temperatures above 270–310°C play a signifi- cant role. During annealing on the metal particles surface of the composite, the carbon nanostructures (from TEG com- ponent) 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 tunnel- ing 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. Keywords: concentrated solar energy, low-temperature thermionic converters, metal–nanostructured carbon composites.

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

Репозитарії

Схожі ресурси