En un nuevo estudio, los científicos de Tokyo Tech han informado que las perovskitas inversas ambientalmente benignas con alta eficiencia de conversión de energía tienen potencial para aplicaciones prácticas como materiales termoeléctricos (TEM). Al abordar las limitaciones que normalmente enfrentan los TEM, como una eficiencia de conversión de energía insuficiente y la toxicidad ambiental debido a elementos pesados, los nuevos TEM brindan una alternativa adecuada a los TEM basados en elementos tóxicos con mejores propiedades termoeléctricas que los TEM ecológicos convencionales.
Los materiales termoeléctricos (TEM) capaces de convertir energía térmica en energía eléctrica y viceversa se han convertido en una parte esencial de nuestro mundo, que necesita mejores sistemas de recolección de energía residual y sistemas de enfriamiento para dispositivos electrónicos.
La eficiencia de conversión de energía de los TEM depende de una figura de mérito adimensional (ZT), que es un producto de dos factores diferentes:la inversa de la conductividad térmica (k) y el factor de potencia (PF).
Un TEM de alto rendimiento exhibe un ZT alto si posee un k bajo y un PF alto. A lo largo de los años, los científicos desarrollaron varios TEM basados en calcogenuros de metales pesados de alto rendimiento, como el Bi2. Te3 y PbTe, que cumplen estos criterios. Si bien estos materiales eran ideales para la conversión de energía, eran tóxicos para el medio ambiente y la salud de los organismos vivos:contenían elementos pesados tóxicos, como plomo (Pb) y telurio (Te), que limitaban sus aplicaciones prácticas.
Por otro lado, aunque los TEM basados en óxidos, como el SrTiO3 , tienen varias ventajas de no toxicidad y abundantes recursos naturales, su ZT ha sido limitada debido a su alto k.
Para abordar esto, un equipo de investigación dirigido por el profesor asociado Takayoshi Katase del Instituto de Tecnología de Tokio exploró TEM libres de elementos tóxicos eficientes pero ambientalmente benignos. En su estudio publicado en Advanced Science , los investigadores presentan TEM de alto ZT basados en perovskita "inversa" con la fórmula química Ba3 BO, donde B se refiere al silicio (Si) y al germanio (Ge).
"A diferencia de las perovskitas normales, como SrTiO3 , las posiciones de los sitios de cationes y aniones están invertidas en perovskitas inversas Ba3 BO. Por lo tanto, contienen una gran cantidad del elemento pesado, Ba, y su estructura cristalina está formada por una llama suave formada por enlaces débiles O-Ba. Estas características hacen realidad la baja k de las perovskitas inversas", afirma el Dr. Katase, explicando las destacadas propiedades de los materiales.
El equipo de investigación aclaró los policristales a granel sintetizados de Ba3 BO posee una k extremadamente baja de 1,0 a 0,4 W/mK a una T de 300 a 600 K, que es inferior a la de Bi2 Te3 y graneles de PbTe. Como resultado, el Ba3 Los productos a granel BO exhiben un ZT bastante alto de 0,16-0,84 a T =300-623 K.
Además, el equipo llevó a cabo cálculos teóricos que predijeron un ZT máximo potencial de 2,14 para Ba3. SiO y 1,21 para Ba3 GeO a T =600 K optimizando la concentración de huecos. El ZT máximo de estos TEM no tóxicos es mucho más alto que el de otros TEM ecológicos y comparable a los de elementos pesados tóxicos en el mismo rango de temperatura.
Además, el equipo aclaró que el alto ZT de Ba3 BO se debe no sólo a su bajo k sino también a su alto PF:ion B, que generalmente se comporta como un catión con carga positiva pero como un anión con carga negativa en Ba3 BO. Los aniones B son responsables del transporte por el que se consigue un PF elevado.
En resumen, este estudio valida el potencial del nuevo diseño Ba3 BO como una alternativa ecológica y de alto rendimiento a los TEM convencionales basados en elementos pesados y tóxicos.
Los resultados establecen que las perovskitas inversas son una opción prometedora para desarrollar TEM avanzados ambientalmente benignos. En este sentido, el Dr. Katase concluye:"Creemos que nuestra visión única en el diseño de materiales con alto ZT sin utilizar elementos tóxicos tendría un fuerte impacto en las comunidades de ciencia de materiales y química, así como entre los innovadores que buscan ampliar el horizonte del material termoeléctrico. aplicaciones más allá de los laboratorios en nuestra vida cotidiana."
Más información: Xinyi He et al, Perovskita inversa Ba3 BO (B =Si y Ge) como material termoeléctrico ambientalmente benigno de alto rendimiento con baja conductividad térmica de red, Ciencia avanzada (2023). DOI:10.1002/advs.202307058
Información de la revista: Ciencia avanzada
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio
