La tecnología termoeléctrica puede generar electricidad a partir del calor residual, aunque su rendimiento puede resultar en un cuello de botella para aplicaciones más amplias. Los científicos de materiales pueden regular la entropía configuracional de un material mediante la introducción de diferentes especies atómicas para ajustar la composición de las fases y ampliar el espacio de optimización del rendimiento. En un nuevo informe ahora en Ciencias , Binbin Jang y col. utilizó un material de alta entropía basado en seleniuro de plomo de tipo n (PbSe) formado por estabilización estructural impulsada por la entropía. Las celosías en gran parte distorsionadas en el sistema de alta entropía causaron tensiones de cizallamiento inusuales para proporcionar una fuerte dispersión de fonones para reducir la conductividad térmica de la celosía. El trabajo presenta un nuevo paradigma para mejorar el rendimiento termoeléctrico de materiales termoeléctricos de alta entropía utilizando ingeniería de entropía.

Tecnología termoeléctrica

Los científicos de materiales han ideado tecnologías que pueden capturar el calor residual que resulta de los procesos de conversión que contribuyen a más de dos tercios del desperdicio de energía en el mundo. La tecnología termoeléctrica es una opción atractiva para una fácil adaptación en muchas situaciones debido a su pequeño tamaño, falta de partes giratorias y emisiones de gases. Un obstáculo existente para la tecnología termoeléctrica es su baja eficiencia de conversión. Típicamente, los investigadores pueden determinar la eficiencia energética en relación con las conductividades eléctricas y la conductividad térmica de celosía de los materiales termoeléctricos. Por lo tanto, los investigadores habían optimizado los parámetros ajustando las estructuras de las bandas, microestructuras y estados de enlace con una gama de métodos propuestos en convergencia de bandas, nivel resonante, aleación nanoestructura e iones líquidos. Aunque nombrado de manera diversa, estos métodos generalmente ayudan a mejorar las propiedades de transporte eléctrico y destruyen la ruta de transporte térmico.

Aleaciones de alta entropía (HEA)

Las aleaciones de alta entropía (HEA) suelen proporcionar un camino para mejorar el rendimiento termoeléctrico al fortalecer la dispersión de fonones en función de su desorden y red distorsionada. Los científicos pueden regular las propiedades electrónicas del material para mantener el transporte de electrones para su uso en una amplia gama de composiciones químicas. Estos materiales se definen típicamente como una solución sólida que contiene más de cinco elementos principales y el concepto se puede ampliar para crear materiales funcionales estabilizados por entropía. Los científicos de materiales habían informado por primera vez de materiales funcionales de alta entropía estabilizados en entropía que contenían magnesio, cobalto, níquel, cobre, óxido de zinc seguido de perovskitas, fluorita, espinelas, carburos y siliciuros. En cualquier sistema dado, cuando el aumento de entropía es mayor que el de entalpía, la entropía configuracional aumentará con el aumento de especies de elementos, lo que lleva a una disminución de la energía libre de Gibbs y una estructura cristalina estabilizada. Los investigadores también pueden formar una nueva fase utilizando la entropía como la fuerza impulsora para la optimización del rendimiento. Estructuras estabilizadas de esta manera, energía libre mantenida donde el efecto de estabilización estructural utilizó la competencia entre entropía y entalpía. Jang y col. calculó la entalpía y la entropía vibracional usando la teoría funcional de la densidad para mostrar cómo el efecto de estabilización estructural impulsado por la entropía de un sistema de materiales formó un método efectivo para crear diversos materiales de alta entropía con una composición más allá del límite de solubilidad para proporcionar una variada gama de propiedades para rendimiento optimizado.

Las estructuras estabilizadas mantuvieron un orden de disposición atómica de largo alcance para formar una red de transporte eléctrico. El desorden de corto alcance en materiales de alta entropía causó desorden de celosía para dispersar fuertemente fonones portadores de calor que redujeron la conductividad térmica de celosía de los materiales de alta entropía. para luego producir propiedades de transporte térmico con diferencia de temperatura en el modo termoeléctrico. Los investigadores habían observado previamente un rendimiento termoeléctrico mejorado en una variedad de materiales de alta entropía. Sin embargo, Jang y col. Queda por comprender la relación entre la entropía configuracional, microestructura y propiedades termoeléctricas. Por ejemplo, la solubilidad en los materiales está limitada debido al tamaño y las diferencias de masa entre los átomos de soluto y solvente, lo que dificulta la realización de aleaciones de alta entropía simplemente aumentando el contenido de aleación. Luego, el equipo estudió el contenido elemental de los materiales utilizando patrones de difracción de rayos X (XRD) y mapeo de espectroscopía de dispersión de energía (EDS). Buscaron materiales con composiciones más allá del límite de solubilidad para proporcionar un rango variado para un rendimiento óptimo. Para confirmar aún más la arquitectura y homogeneidad de los materiales, realizaron análisis de campo oscuro anular de alto ángulo (HAADF) y análisis EDS de rayos X atómicos con microscopía electrónica de transmisión de barrido (STEM). Los resultados mostraron que la distribución de todos los elementos era homogénea desde la micro hasta la nanoescala. Usando mapeos EDS de ultra alta resolución, Jang y col. clarificó aún más las redes atómicas y las posiciones de cada elemento, donde los arreglos atómicos bien definidos eran distintos de los materiales amorfos.

Estabilización impulsada por la entropía

Durante el proceso de estabilización impulsada por la entropía, lograron una disposición atómica bien mantenida, pero el fuerte desajuste de tamaño atómico comprometió la red para afectar fuertemente el proceso de transporte térmico. El equipo midió el cambio de cepas de baja entropía a alta entropía utilizando muestras y mostró cómo los resultados se triplicaron durante el proceso. Luego utilizaron difracción de electrones de nanohaz (NBED) para detectar las cepas de la red e investigaron la cepa a escala atómica utilizando microscopía electrónica de transmisión de barrido y campo oscuro anular de ángulo alto (STEM-HAADF). La estabilización estructural impulsada por la entropía dentro del sistema de materiales trabajó junto con la celosía severamente distorsionada para efectuar el transporte eléctrico y térmico dentro del material. Cuando Jang et al. más tarde introdujo estaño (Sn) en un material, retuvieron la estabilidad de los electrones y observaron cómo una disminución de la banda prohibida en lugar de una alta entropía provocaba una excitación intrínseca a alta temperatura.

panorama

De este modo, Binbin Jian y sus colegas mostraron un método para formar diferentes materiales termoeléctricos de alta entropía a través de la estabilización estructural impulsada por la entropía con propiedades de transporte eléctrico bien mantenidas por la estructura estabilizada. Las grandes tensiones de la celosía severamente distorsionada en materiales de alta entropía proporcionaron una fuerte dispersión para los fonones portadores de calor, para contribuir así a una conductividad térmica reticular ultrabaja. Estos resultados dieron como resultado funciones mejoradas de temperatura para los materiales de alta entropía, junto con una alta eficiencia de conversión térmica durante los experimentos. El trabajo proporciona información sobre la ingeniería de entropía para materiales y módulos termoeléctricos de alto rendimiento como un camino atractivo para desarrollar materiales funcionales de alto rendimiento.

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