La película de óxido de bario-cobalto (arriba a la derecha, aproximadamente 1 cm2) estando expuesto a una llama abierta para generar voltaje. Crédito:Hiromichi Ohta
El calor residual es una fuente de energía renovable muy prometedora; sin embargo, la eficiencia del uso de calor para generar energía ha sido históricamente mucho menor que la hidroeléctrica, energía eólica o solar. Si bien hay una serie de materiales que se pueden utilizar para la generación de energía a partir del calor residual, todos padecen diversos problemas que van desde la baja estabilidad hasta la baja eficiencia. Sin embargo, El hecho de que un gran número de industrias generen grandes cantidades de calor residual ha impulsado la investigación en este campo.
Un equipo de científicos dirigido por el profesor Hiromichi Ohta en el Instituto de Investigación de Ciencia Electrónica (RIES), Universidad de Hokkaido, ha desarrollado recientemente un óxido de cobalto en capas con una figura termoeléctrica de mérito récord para los óxidos metálicos a temperatura ambiente. Sus hallazgos fueron publicados en la revista Revista de Química de Materiales A .
La conversión termoeléctrica es impulsada por el efecto Seebeck:cuando hay una diferencia de temperatura a través de un material conductor, se genera una corriente eléctrica. Históricamente, la eficiencia de la conversión de calor en electricidad de óxidos metálicos fue muy baja; sin embargo, Los dispositivos termoeléctricos basados en óxidos metálicos son muy deseados debido a su compatibilidad medioambiental. La eficiencia de conversión termoeléctrica de un dispositivo depende de un factor clave llamado figura de mérito termoeléctrico (ZT).
El grupo de Hiromichi Ohta ha desarrollado un óxido de cobalto en capas que exhibe un alto ZT y es estable en un rango de temperaturas de operación. Óxido de sodio-cobalto conocido, donde se alternan las capas de óxido de cobalto y sodio, muestra un ZT muy bajo de alrededor de 0.03, pero el material desarrollado por el grupo de Ohta logró un ZT de 0,11. El grupo reemplazó el sodio por otros metales alcalinos o alcalinotérreos:calcio, estroncio, y bario.
Hipótesis para la mejora ZT del óxido de cobalto en capas. Los iones con mayor masa atómica (derecha) aumentarían ZT ya que suprimen la conductividad térmica en las capas de óxido de cobalto. Crédito:Yugo Takashima et al, Revista de Química de Materiales A , 13 de octubre 2020
El material de óxido de bario-cobalto en capas exhibió un ZT que estableció un récord de 0.11 a temperatura ambiente. El aumento de ZT se debe directamente a la disminución de la conductividad térmica del bario. Como hipotetizaron los científicos, cuanto mayor sea la masa atómica, cuanto menor sea la conductividad térmica, resultando en mayor ZT. Esto se debe al hecho de que los átomos más pesados suprimen las vibraciones en las capas de óxido de cobalto causadas por el calentamiento. Se requiere más investigación para optimizar la composición del material para una mayor eficacia y estabilidad, así como determinar las aplicaciones prácticas más útiles.
Correlación entre la masa atómica y la figura de mérito termoeléctrico (ZT). A medida que aumenta la masa atómica del metal alcalino o alcalinotérreo, el ZT también aumenta. Naranja, calcio; amarillo, sodio; púrpura, estroncio; verde, bario. Crédito:Yugo Takashima et al, Revista de Química de Materiales A , 13 de octubre 2020
Hiromichi Ohta es el jefe del Laboratorio de Materiales Funcionales de Película Delgada en el RIES, Universidad de Hokkaido. Sus áreas de investigación incluyen Termoeléctrica, Modulación termoeléctrica, Optoelectrónica e iontrónica.
