Los materiales termoeléctricos nos permitirán producir electricidad útil a partir de las enormes cantidades de calor residual generado continuamente en los procesos industriales. Crédito:Wirestock en Freepik
En nuestra lucha continua por reducir el uso de combustibles fósiles, La tecnología para convertir directamente el calor residual del mundo en electricidad se destaca como muy prometedora. Materiales termoeléctricos, que llevan a cabo este proceso de conversión de energía, tengo, por lo tanto, se ha convertido recientemente en el foco de una intensa investigación en todo el mundo. De los diversos candidatos potenciales aplicables a una amplia gama de temperaturas, entre 30 y 630 ° C, El telururo de plomo (PbTe) ofrece el mejor rendimiento termoeléctrico. Desafortunadamente, las cualidades sobresalientes del PbTe quedan eclipsadas por la naturaleza tóxica del plomo, impulsando a los investigadores a buscar semiconductores termoeléctricos más seguros.
El telururo de estaño (SnTe) podría ser una alternativa. Pero no funciona tan bien como PbTe, y se están estudiando activamente varios métodos para mejorar su rendimiento termoeléctrico. Hay dos problemas principales con SnTe que bajan su figura de mérito (ZT):su alta conductividad térmica y su bajo coeficiente de Seebeck, que determina qué tan grande es la tensión termoeléctrica generada en función de la temperatura. Aunque los investigadores han logrado mejorar estos parámetros por separado, ha resultado difícil hacerlo para ambos simultáneamente en el caso de SnTe.
En un estudio reciente publicado en Revista de Ingeniería Química , un par de científicos de la Universidad de Chung-Ang, Corea — Dr. Jooheon Kim y Hyun Ju:idearon una estrategia eficaz para resolver este problema. Su enfoque se basa en la nanoestructuración:producir un material con las propiedades estructurales deseadas a escala nanométrica. En este caso particular, los científicos produjeron nanohojas de SnTe porosas. Sin embargo, Hacer nanohojas con SnTe es notablemente complejo usando procedimientos estándar, lo que llevó a los científicos a diseñar una estrategia de síntesis innovadora.
Aprovecharon otro semiconductor:el seleniuro de estaño (SnSe). Este material tiene una estructura en capas que es relativamente fácil de exfoliar para producir nanoláminas de SnSe. Los investigadores sumergieron estas nanohojas en una solución de ácido tartárico (C 4 H 6 O 6 ) y Te puro en atmósfera de nitrógeno para evitar la oxidación. ¿Qué C 4 H 6 O 6 lo que hace es extraer pares de Sn-Se de las nanohojas de SnSe, permitiendo así que el Te disuelto - s para reemplazar naturalmente el Se - anión en los pares extraídos. Luego, los pares de Sn-Te vuelven a unirse a la nanohoja original de una manera ligeramente 'imperfecta', creando poros y límites de grano en el material. El resultado de todo este proceso son nanoláminas de SnTe porosas de intercambio aniónico.
Los científicos investigaron los mecanismos de reacción que hicieron posibles estas nanohojas de SnTe y buscaron cuidadosamente las condiciones de síntesis que produjeran la morfología a nanoescala óptima. "Descubrimos que la nanoestructura de las nanohojas óptimas de SnTe poroso con intercambio aniónico, compuesto por nanopartículas de solo 3 nm de tamaño con formas defectuosas, condujo a una reducción sustancial de la conductividad térmica y a un coeficiente de Seebeck más alto en comparación con el SnTe a granel convencional, ", comenta Kim." Este es un resultado directo de las nanointerfaces introducidas, poros y defectos, que ayudan a 'disipar' vibraciones uniformes en SnTe conocidas como fonones, que comprometen las propiedades termoeléctricas, ", agrega. El ZT de las nanohojas de SnTe de mejor rendimiento fue de 1,1 a una temperatura de 650 ° C; eso es casi tres veces más alto que el del SnTe a granel.
Los resultados generales del estudio son muy prometedores en el campo de los materiales termoeléctricos de alto rendimiento, que seguramente encontrará aplicaciones no solo en la generación de energía, pero también refrigeración, aire acondicionado, transporte, e incluso dispositivos biomédicos. Igualmente importante, sin embargo, es la información obtenida al explorar una nueva estrategia de síntesis, como explica Kim:"El método poco convencional que empleamos para obtener nanohojas de SnTe poroso podría ser relevante para otros semiconductores termoeléctricos, así como en la fabricación e investigación de materiales porosos y nanoestructurados para otros fines ".
Más importante, siendo la recolección de energía térmica la aplicación más buscada de los materiales termoeléctricos, este estudio podría ayudar a que los procesos industriales sean más eficientes. Los semiconductores termoeléctricos nos permitirán aprovechar las grandes cantidades de calor residual que se producen a diario y producir energía eléctrica útil. y es de esperar que más investigaciones en este campo allanen el camino hacia una sociedad más ecológica.
