Materiały termoelektryczne (TE), zdolne do przekształcania ciepła odpadowego w energię elektryczną, zyskują coraz większe znaczenie w kontekście globalnych wyzwań energetycznych. Naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ), we współpracy z zespołem badaczy z Chin, dokonali przełomu w tej dziedzinie, istotnie zwiększając wydajność termoelektryczną diselenku wolframu (WSe₂), dwuwymiarowego materiału już wcześniej uznawanego za obiecujący pod względem efektywności energetycznej i przyjazności dla środowiska.

Diselenek wolframu to ekologiczny, dwuwymiarowy materiał zdolny do generowania energii elektrycznej z ciepła dzięki swojej wysokiej mocy termoelektrycznej. Dotychczas jego szersze zastosowanie było ograniczone przez niską przewodność elektryczną oraz wysoką przewodność cieplną – cechy, które obniżały jego sprawność w konwersji ciepła na energię.

Aby przezwyciężyć te ograniczenia, zespoły z NCBJ i Chin zastosowały nowoczesne podejście do projektowania materiałów. W strukturze diselenku wolframu (WSe₂) część atomów wolframu (W) zastąpiono niobem (Nb), a zamiast niektórych atomów selenu (Se) wprowadzono tellur (Te). Tak powstała zmodyfikowana wersja materiału o znacznie lepszych właściwościach użytkowych.

Rezultaty eksperymentu okazały się przełomowe. Przy temperaturze 850 °C współczynnik mocy – kluczowy parametr określający efektywność termoelektryczną – wzrósł aż 17-krotnie, a przewodność cieplna materiału spadła o ponad 70%. Te zmiany znacząco poprawiają zdolność WSe₂ do generowania energii elektrycznej z ciepła, czyniąc go realnym kandydatem do zastosowań w warunkach wysokotemperaturowych.

Teoretyczne podstawy badań opracowali dr hab. Javier Dominguez-Gutierrez oraz dr Amil Aligayev z NCBJ. Dzięki zaawansowanym symulacjom komputerowym opartym na teorii funkcjonału gęstości (DFT) wykazali oni, jak domieszkowanie niobem i tellurem wpływa na właściwości elektronowe materiału, zwiększając jego efektywność termoelektryczną.

"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" – tłumaczy 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.

To niezwykłe osiągnięcie pokazuje, że opracowany w NCBJ materiał może być jednym z najbardziej obiecujących kandydatów do odzysku ciepła odpadowego w ekstremalnych warunkach temperaturowych. Oznacza to istotny krok naprzód w kierunku tworzenia energooszczędnych materiałów projektowanych 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).