Термоэлектрохимические элементы (также известные как термоэлементы, TEC) представляют собой перспективную
технологию сбора и использования низкосортного отходящего тепла (<100-150 °C), широко распространенную в
современных условиях. Новые жидкофазные термоэлементы, основанные на окислительно-восстановительных реакциях, зависящих от температуры, и диффузии ионов, преобразуют отработанную тепловую энергию в электрическую, вырабатывая электроэнергию по низким ценам, с минимальным расходом материалов и незначительным выбросом углекислого газа.
В этой статье рассматриваются последние достижения в области характеристик термоэлементов, уделяя особое внимание новым окислительно-восстановительным парам, оптимизация электролита для повышения выходной мощности и рабочего температурного режима, а также использование углерода и других наноматериалов для изготовления электродов с большой площадью поверхности для повышения плотности тока и производительности устройства. Самые высокие значения выходной мощности и потенциалов элементов были достигнуты для окислительно-восстановительной системы ферри ферроцианид и Co^2+/3+, что открывает большие возможности для дальнейшего использования как в водных, так и в неводных растворителях. Новые термоэлектрические приложения в этой области включают носимые и портативные электронные устройства для контроля состояния здоровья и производительности отрасли; используя тепло тела в качестве постоянного источника энергии, термоэлектрики используются для долговременного и непрерывного питания этих устройств. Накопители энергии в виде микроконденсаторов и литий- ионных аккумуляторов - еще одно новое применение. Современные термоэлементы по-прежнему сталкиваются с проблемами низкой удельной мощности, эффективности преобразования и стабильности. Для того чтобы преобразование отработанного тепла (WHC) частично заменило ископаемое топливо в качестве альтернативного источника энергии, производство электроэнергии должно быть коммерчески выгодным и рентабельным. Достижение большей удельной мощности и работы при более высоких скоростях температуры потребуют обширных исследований и значительных разработок в этой области.

ТИсследовано структурное поведение оксида никеля в стеклообразных и стеклокерамических материалах, полученных в системе Na₂O–CaO–MgO–Fe₂O₃–Al₂O₃–SiO₂. Было проанализировано влияние содержания NiO на стеклование, кристаллизацию, структуру и эксплуатационные свойства двух модельных композиций с различными соотношениями [CaO]/[MgO]. На основе данных ДСК и рентгенографии показано, что NiO способствовал образованию кристаллов бунзенита, как зародышей кристаллизации. С другой стороны, NiO способствовал образованию пироксенов даже для композиций с низким содержанием MgO, в которых образуется геленит без примесей NiO. Показано, что в составе с относительно высоким содержанием MgO NiO может участвовать в образовании двух типов пироксенов со структурой и химическим составом, сходными со структурой (MgO_0,4NiO_0,6)(CaO_0,9NiO_0,1)твердых растворов Si₂O₆ и диопсид геденбергита. Оптимальное содержание NiO в обеих модельных композициях составляло около 7 мас.%, так как более высокое содержание снижало эксплуатационные свойства. Стеклокерамика с оптимальным соотношением палатки NiO также были изготовлены с использованием гальванического шлама, содержащего никель, и угольной золы; полученные материалы показали эксплуатационные свойства, аналогичные упомянутым выше.

Биоактивные и биосовместимые композиты были успешно получены путем реактивного спекания смесей предшественника кристаллического титаната и биостекла 45S5 Bioglass®. Соотношения полититанат/стекло-предшественник составляли 20/80, 40/60, 60/40 или 80/20 (мас.%). Порошковые смеси подвергали одноосному прессованию и термообработке при температуре 1000°C в течение 1 ч. В процессе спекания происходило интенсивное взаимодействие между сырьевыми материалами. Образовавшиеся основные кристаллические фазы были: гексатитанат калия (K₂Ti₆O₁₃), титанат кальция (CaTiO₃), силикат кальция (CaSiO₄) и натрий-кальциевый силикат (Na₆Ca₃Si₆O₁₈). Кроме того, была также обнаружена стеклообразная фаза, богатая кремнием. Механизм образования апатита указывает на то, что как кристаллическая, так и аморфная фазы играют важную роль в этом процессе. На поверхности раздела Si-OH, Ti–OH, обогащенной аммиаком, образовался однородный слой апатита. Биологическую активность in vitro оценивали с использованием искусственной жидкости организма (SBF K-9). Цитотоксичность in vitro оценивали с использованием модели остеобластоподобных клеток человека и прочности на сжатие по стандарту ASTM C-773. Все композиты продемонстрировали высокую анализы на биоактивность и цитотоксичность показали биосовместимость, аналогичную таковой в случае отрицательного контроля. Образцы показали высокую адгезию клеток и их удлинение, аналогичные тем, которые наблюдались в биосовместимых системах. Прочность спеченных образцов на сжатие снижалась по мере увеличения содержания предшественника полититаната. Полученные результаты свидетельствуют о том, что эти материалы являются весьма перспективными композитами для медицинского применения.

Витрификация в системе RNO₃–KHSO₄–Р₂О₅ принимает когда при температурах ниже 500°С. Структура нитрат сульфат-фосфатных стекол, полученных при температуре 350°C, формируется за счет метафосфатных структурных конфигураций, в то время как более высокие температуры способствуют образованию пирофосфатных цепочек. Содержание азота в образующихся стекловидных системах снижалось с увеличением [KHSO₄] и повышенные температуры плавления. Плавление при температуре выше 450°C снижает содержание азота до такого уровня, что эти стекла можно использовать в качестве азотных удобрения. Нитратно-сульфатно-фосфатные стекла можно рассматривать как новые комплексные удобрения с регулируемой растворимостью, содержащие все основные питательные вещества (N, K, P), кроме того, они характеризуются более низкой скоростью растворения в воде по сравнению с традиционными удобрениями.

Были разработаны биоактивные композиты титанат кальция/боросиликатное стекло. Порошковые смеси из боросиликатного стекла и 10, 20 или 30 мас.% частиц полититаната калия подвергали одноосному прессованию и спеканию при температуре 850°С в течение 1 часа. После термической обработки в результате взаимодействия полититаната калия и боросиликатного стекла были получены композиты, состоящие из частиц титаната кальция, погруженных в аморфную фазу, богатую витамином В. Для оценки биологической активности in vitro спеченные образцы погружали в имитируемую жидкость организма (SBF) на 21 день при физиологических значениях рН и температура. Также была проведена оценка прочности композитов на сжатие. На всех испытанных материалах образовался однородный и толстый слой апатита. Кроме того, была отмечена соответствующая прочность на сжатие (68-85 МПа). Эти результаты указывают на то, что эти композиты являются потенциальными материалами для замены и регенерации костной ткани.

Исследовано низкотемпературное (350°C) остекловывание в системе KNO₃-NaNO₃-KHSO₄-NH₄H₂PO₄, содержащей различные добавки для повышения химической стойкости получаемого материала. Было показано, что стеклообразующая система с добавками нитрата алюминия в количестве 4,2-8,4 мас.% позволяет получать стабильные и прозрачные стекла, тогда как добавление H₃BO₃ приводит к получению композита стекло–матрица, содержащего кристаллические включения BPO₄. Примеси нитрата магния подавляли процесс стеклования и позволяли получать композиты со стеклянной матрицей только в сочетании с нитратом алюминия и борная кислота. С помощью точечного анализа ICP и низкоэнергетической электроэрозионной обработки было установлено, что все полученные материалы содержат в своей структуре нитрат-ионы. Различные комбинации вышеупомянутых добавок способствовали несмешиванию с жидкой фазой и кристаллизации BPO₄, KMgH(PO₃)₃, с некоторыми неидентифицированными кристаллическими фазами в расплаве. Был проанализирован механизм процессов стеклования, протекающих в исследованных системах, а также водостойкость полученных материалов. Было показано, что композиты стекло–матрица на основе (K,Na)NO₃-KHSO₄-P₂O₅ стеклообразующая система, содержащая нитраты Al и Mg и добавки B₂O₃, обладает повышенной водостойкостью по сравнению с исходным составом стекла и может использоваться в качестве удобрений с контролируемым высвобождением, содержащих основные полезные элементы питания (K, P, N, Na, S, B и Mg).

Методом барботирования CO₂ были получены и исследованы ксерогели на основе водных растворов мочевины в жидком калийсиликатном стекле (PSLG). Проанализированы структура и химический состав полученных материалов. Используя SEM, XRD, IR-FT, DSC и низкоэнергетические локальные При проведении ЭЦП-анализа было установлено, что высушенные гели (ксерогели) содержали три формы мочевины: на поверхности частиц ксерогеля образовались овальные кристаллы правильной формы; волокнистые кристаллы были расположены в силикатной матрице; и молекулы/ионы были включены в силикатную матрицу. Это было показано установлено, что увеличение содержания [(NH₂)₂CO] в гелеобразующей системе способствует увеличению содержания кристаллических форм мочевины, а также диаметра кристаллов мочевины в форме волокон. Фотометрическим методом определяли скорость выделения мочевины в воду из гранулированных ксерогелей, содержащих 5,8, 12,6 и 17,9 мас.% мочевины. Было определено, что полученные ксерогели, содержащие мочевину, характеризуются медленным выделением мочевины, которое продолжается до 120 дней, и могут быть использованы в качестве удобрений с контролируемым выделением, содержащих полезные питательные вещества (N, K).

В данной работе были получены протонированные формы полититаната калия путем обработки предшественника в растворе HCl при рН 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, или 7,0. Синтезированные материалы были исследованы с помощью рентгенофазового анализа, ИК-спектроскопии и рентгенофлуоресцентной спектроскопии. Ионообменные свойства были изучены с использованием раствора LiCl с концентрацией C(Li⁺) = 0,01 моль/л. Показано, что извлечение лития полититанатами калия зависит от степени их протонирования. Установлено, что образцы с наибольшей степенью протонирования, полученные при рН = 2 и 3, обладают наибольшей эффективностью при ионообменное извлечение ионов Li⁺ из водного раствора. Для определения скорости обмена ионов и механизма процесса ионообмена были использованы модели псевдо-первого и псевдо-второго порядка, а также модель диффузии Вебера-Морриса внутри частиц. Экспериментальные данные с их участием хорошо согласуются с кинетической моделью псевдо-второго порядка. Рассчитанные кинетические параметры составляли q_e = 0,47–0,52 ммоль/г и k₂ = 0,25–0,43 в зависимости от степени протонирования полититаната калия. Полученные экспериментальные и расчетные значения сорбционная способность сравнивалась с катионообменной способностью исследуемых материалов. Согласно кинетическому исследованию, механизм адсорбции лития полититанатами калия с более высокой степенью протонирования заключается в ионообменной химической реакции. Недорогие протонированные полититанаты калия являются перспективными для извлечения ионов Li⁺ из водных растворов с низкой концентрацией, что подтверждается анализом результатов.

Важным направлением в развитии политики энергосбережения является сбор и преобразование в электроэнергию низкосортного отработанного тепла. Настоящая работа посвящена повышению эффективности термоэлектрохимических элементов на основе электродов из углеродного волокна и окислительно-восстановительного электролита из ферри-/ферроцианида калия. Рассмотрено влияние модификации поверхности электрода из углеродного волокна (магнетронное осаждение серебра и титана или инфильтрационная имплантация наноразмерного оксида титана) на выходную мощность и параметры схемы эквивалентного импеданса термоэлектрического преобразователя.- была изучена электрохимическая ячейка. Были исследованы два типа конструкций ячеек (обычная электрохимическая ячейка с солевым мостиком и корпус в виде монеты). Было обнаружено, что характер модификации поверхности электродов может изменять внутреннее сопротивление элемента на три порядка величины. Представлена зависимость параметров эквивалентной схемы и удельной выходной мощности термоэлектрического элемента от типа электродных материалов. Было замечено, что максимальная мощность углеродного волокна, модифицированного металлическим титаном и оксидом титана, составляет 25,2 МВт/м², а эффективность составила 1,37%.