Los materiales termoeléctricos convierten el calor en electricidad, lo que los hace extremadamente atractivos para la producción de energía sostenible, especialmente dado que la industria puede desperdiciar más de dos tercios de su energía en forma de calor. Pero la producción en masa de energía termoeléctrica está actualmente limitada por una baja eficiencia de conversión de energía. Ahora, sin embargo, los investigadores Biswanath Dutta y Poulumi Dey del departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de TU Delft, no solo han podido explicar cómo las nanoestructuras en materiales termoeléctricos pueden mejorar la eficiencia energética, pero también proponen una forma comercialmente atractiva de fabricar materiales termoeléctricos nanoestructurados, aumentando las posibilidades de producción en masa de energía termoeléctrica. Sus resultados fueron publicados en Nano energía .

El punto de partida del trabajo de Dutta y Dey fueron los resultados experimentales proporcionados por sus co-investigadores en Corea del Sur que estaban trabajando con un material termoeléctrico conocido, un compuesto llamado NbCoSn half-Heusler. "Este es básicamente un tipo específico de estructura cristalina en la que se colocan ciertos elementos, en este caso niobio, cobalto y estaño, "explica Dutta." Y jugando con la cantidad y la posición de cada uno de los elementos, por ejemplo, poniendo más niobio en lugar de cobalto, puede ver cómo afecta eso a la eficiencia general del material ".

Lo que mostraron los resultados de sus colaboradores surcoreanos fue que a una temperatura específica, ciertos tipos de nanoestructuras se formaron dentro de este material. Entonces Dutta y Dey realizaron simulaciones teóricas basadas en estas observaciones:"En primer lugar, simulamos el efecto de agregar uno o dos átomos de cobalto adicionales, y en varias posiciones diferentes, para averiguar si eso aumentaría la eficiencia o no, ", dice Dey." Resultó que la posición de este cobalto adicional realmente tiene un papel importante en el desempeño total de este material, que era algo que el equipo que realizaba los experimentos no podía explicar realmente porque estaba más allá de la resolución de sus mediciones ".

Además, Dutta y Dey también pudieron demostrar un efecto conocido como filtrado de energía:"Puedes pensar en él como una especie de barrera para los electrones por debajo de cierta energía, que a su vez mejora la conductividad eléctrica general, "explica Dutta." Al filtrar los electrones de baja energía y permitir el paso de los de alta energía, hay un aumento en la eficiencia general ".

"Este es un efecto de nanoestructura, "dice Dey." Es la formación de nanoestructuras en el resto del material, y la interfaz entre ellos, que actúa como barrera, por lo que si no tienes estas nanoestructuras, no tendrá este efecto porque no hay interfaz. Pero tan pronto como se formen estas nanoestructuras, se obtienen estas interfaces que bloquean los electrones de baja energía pero permiten el paso de los de alta energía con el resultado de que la eficiencia energética general aumenta ".

Por último, Las simulaciones de TU Delft sugirieron dos razones para una mayor eficiencia energética en este material termoeléctrico NbCoSn adaptado:la presencia de átomos de cobalto adicionales en posiciones específicas llamadas sitios intersticiales dentro de la estructura reticular, y también el efecto de filtrado de energía.

Es más, La mejor comprensión de por qué este material termoeléctrico nanoestructurado es más eficiente en energía sugiere una mejor, forma más aplicable de producir energía termoeléctrica. "En la actualidad, Los materiales termoeléctricos nanoestructurados se fabrican a través de un largo y riguroso proceso de trituración y calentamiento de estructuras preformadas. "explica Dutta", que consume tiempo y energía, por lo que no es ideal para la producción en masa ". En lugar de seguir la ruta convencional, los equipos sugirieron comenzar con un material "no estructurado" o amorfo:"La ventaja de comenzar con un material amorfo es que no tiene una estructura subyacente, por lo que no es necesario pasar por este largo proceso de molienda y calentamiento para homogeneización. Por lo tanto, es más eficiente desde el punto de vista energético y, por lo tanto, mucho más útil para la producción en masa de energía termoeléctrica ". Buenas noticias para los ingenieros de las industrias que trabajan en la recuperación de calor a alta temperatura.