Súčasné environmentálne problémy zahŕňajú otázku Ako vyrábať elektrickú energiu bez znečisťovania životného prostredia? Jedným z možných riešení je využitie termoelektrických materiálov, ktoré dokážu premieňať odpadové teplo na elektrickú energiu. Na ich výrobu je však potrebné použiť metódu, ktorá nebude prispievať k ďalšiemu znečisťovaniu, napríklad mechanochémiu.
Termoelektrické materiály (termoelektriká) sú materiály, v ktorých dochádza k termoelektrickým javom. Základný Seebeckov efekt nastáva, ak je na dvoch koncoch materiálu rozdielna teplota a vzniká medzi nimi elektrický prúd. Tento jav sa využíva v termoelektrických článkoch, ktoré vďaka teplotnému rozdielu generujú elektrický prúd.
Nanoštruktúrovanie a dopovanie
Širokému využitiu termoelektrík v praxi zatiaľ bráni nedostatočná účinnosť premeny energie, vyjadrovaná najčastejšie pomocou ZT faktora. Podľa matematickej rovnice slúžiacej na jeho výpočet by ideálny termoelektrický materiál mal vykazovať vysokú elektrickú a zároveň nízku tepelnú vodivosť. Vo väčšine prípadov sú však obidve vlastnosti navzájom previazané, čo znamená, že nie je možné výrazné zníženie tepelnej a zároveň zachovanie vysokej elektrickej vodivosti materiálu. Zníženie tepelnej vodivosti kryštálovej mriežky sa najčastejšie uskutočňuje nanoštruktúrovaním, keď pri vzniku nanočastíc materiálu dôjde k rozrušeniu kryštálovej mriežky a zhoršeniu prenosu tepla. Naopak, najčastejšou stratégiou na zvýšenie elektrickej vodivosti je dopovanie materiálu vhodným prvkom.
Mletie práškových prvkov
Medzi potenciálne vhodné termoelektriká patrí aj selenid meďno-strieborný s chemickým zložením CuAgSe. Syntetizovaný môže byť pomocou viacerých metód, spomedzi ktorých vyniká množstvom výhod mechanochemická príprava mletím práškových prvkov v planetárnom guľovom mlyne.
Mletím látok dochádza k dvom odlišným procesom: mechanickej aktivácii alebo mechanochemickej reakcii. Pri mechanickej aktivácii nedochádza k chemickej zmene látky, len k zmene fyzikálnych vlastností, ako zmenšeniu veľkosti častíc alebo zmene špecifického povrchu. Hlavným rozdielom medzi nimi je to, že pri mechanochemickej reakcii dochádza k chemickej reakcii medzi vstupnými surovinami za vzniku produktu, pričom energia potrebná na jej priebeh je dodávaná ako mechanická. Mechanochemická príprava umožňuje získavanie širokého spektra zlúčenín, od supramolekulárnych látok až po nanočastice anorganických zlúčenín kovov.
Mechanochemické reakcie
Zatiaľ čo pri využití klasickej chémie je nutné používanie rozpúšťadiel, často v značnom objeme a nie vždy bezpečných pre životné prostredie, mechanochemická reakcia prebieha bez prítomnosti rozpúšťadla, čím nedochádza k vzniku odpadu. Mechanochemická reakcia prebieha jednoducho v jedinej mlecej komore bez nutnosti zostavovania zložitých chemických aparatúr. Zahrievaním reakčných zmesí na vysokú teplotu alebo zmenami tlakov za účelom urýchliť priebeh chemických reakcií podľa klasickej chémie dochádza k zvyšovaniu spotreby energie. Tomu je možné vyhnúť sa prostredníctvom mechanochemickej reakcie prebiehajúcej pri normálnom tlaku a izbovej teplote. Podobný efekt zabraňujúci plytvaniu energiou má mechanochemická príprava aj v súvislosti s reakčným časom. Touto metódou je totiž možné jeho výrazné zníženie z desiatok hodín na niekoľko minút.
Vďaka všetkým spomínaným výhodám mechanochemickej prípravy materiálov je možné označiť ju ako ekologickú, ohľaduplnú k životnému prostrediu. Ďalšími výhodami sú ekonomická výhodnosť aj možnosť veľkokapacitnej mechanochemickej výroby materiálov, ktorá umožňuje priemyselnú výrobu dostatočného množstva na komerčné využitie.
Text a ilustrácia Mgr. Dáša Drenčaková
Ústav geotechniky SAV, v. v. i., v Košiciach
Článok vznikol v spolupráci s platformou Mladí vedci SAV.
