Materiały termoelektryczne (TE), które przekształcają ciepło odpadowe w energię elektryczną, zyskują kluczowe znaczenie w rozwiązywaniu globalnych wyzwań energetycznych. Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) we współpracy z badaczami z Chin, dokonali znaczącego przełomu w tej dziedzinie, zwiększając wydajność TE diselenku wolframu (WSe₂), dwuwymiarowego (2D) materiału znanego już z obiecującej mocy termoelektrycznej i przyjazności dla środowiska.

Diselenek wolframu jest dwuwymiarowym materiałem przyjaznym dla środowiska i zdolnym do wytwarzania energii elektrycznej z ciepła, dzięki dużej mocy termoelektrycznej. Jednak do tej pory przeszkody techniczne ograniczały jego wykorzystanie. Powodem była słaba przewodność elektryczna i wysoka przewodność cieplna, co zmniejszało efektywność przekształcenia ciepła w energię elektryczną.

Aby sprostać tym wyzwaniom, zespoły z NCBJ oraz Chin zastosowały nowoczesne strategie projektowania materiałów. W diselenku wolframu (WSe₂) zastąpiono niektóre atomy wolframu (W) niewielką ilością niobu (Nb.), a w miejsce części atomów selenu (Se) wprowadzono tellur (Te). W ten sposób stworzono zmodyfikowaną wersję WSe2 o znacznie lepszych właściwościach.

Wyniki eksperymentu były zaskakujące. W temperaturze 850 °C współczynnik mocy materiału, będący kluczową miarą wydajności termoelektrycznej, wzrósł 17-krotnie, podczas gdy jego przewodność cieplna spadła o ponad 70%. Zmiany te znacznie zwiększają zdolność materiału do generowania energii elektrycznej z ciepła, czyniąc go znacznie bardziej realną opcją dla rzeczywistych zastosowań.

Założenia teoretyczne zostały opracowane przez dr hab. Javiera Domingueza-Gutierreza oraz dr Amila Aligayeva z Narodowego Centrum Badań Jądrowych. Wykorzystując zaawansowane symulacje komputerowe oparte na teorii funkcjonału gęstości (DFT), naukowcy z NCBJ odkryli, w jaki sposób domieszkowanie niobem (Nb.) i tellurem (Te) zmienia właściwości elektronowe diselenku wolframu WSe₂, zwiększając jego wydajność.

"Analizując zachowanie elektronów poprzez symulacje gęstości stanów, struktury pasmowej i właściwości transportowych, wykazaliśmy, że zmiany te prowadzą do lepszego przewodzenia i znacznie wyższej mocy wyjściowej" – mówi dr Aligayev z NOMATEN CoE w NCBJ.

"Badania te nie tylko pokazują potencjał WSe₂ jako materiału termoelektrycznego nowej generacji, ale także ilustrują, w jaki sposób międzynarodowa współpraca i nowoczesne projektowanie materiałów mogą wpłynąć na rozwój czystszych technologii energetycznych" – podsumowuje dr Dominguez.

Ten niezwykły rezultat badań, pokazuje, że materiał odkryty w NCBJ może być najbardziej obiecującym kandydatem do wykorzystania ciepła odpadowego w środowiskach o wysokiej temperaturze. Oznacza to ekscytujący krok naprzód w projektowaniu energooszczędnych materiałów na poziomie atomowym.

Wyniki badań zostały opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Chemical Engineering Journal w artykule pt. „Synergistic modulation of band structure and phonon transport for higher thermoelectric performance of WSe₂” https: //doi. org/10.1016/j. cej. 2025.164510.

Badania wspierane były przez National Natural Science Foundation of China (granty 12174393, 11674322, 51672278, 51972307) oraz Fundację na rzecz Nauki Polskiej w ramach programu Międzynarodowe Agendy Badawcze PLUS (grant MAB PLUS/2018/8).