Il film di ossido di bario-cobalto (in alto a destra, circa 1 cm2) essendo esposto a una fiamma libera per generare tensione. Credito:Hiromichi Ohta
Il calore di scarto è una fonte di energia rinnovabile molto promettente; però, l'efficienza nell'utilizzo del calore per generare energia è stata storicamente molto inferiore a quella idroelettrica, energia eolica o solare. Mentre ci sono un certo numero di materiali che possono essere utilizzati per la generazione di energia dal calore di scarto, tutti soffrono di vari problemi che vanno dalla bassa stabilità alla bassa efficienza. Tuttavia, il fatto che un gran numero di industrie generino abbondanti quantità di calore di scarto ha spinto la ricerca in questo campo.
Un team di scienziati guidato dal professor Hiromichi Ohta presso il Research Institute for Electronic Science (RIES), Università di Hokkaido, ha recentemente sviluppato un ossido di cobalto stratificato con una cifra termoelettrica di merito record per gli ossidi metallici a temperatura ambiente. I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista Journal of Materials Chemistry A .
La conversione termoelettrica è guidata dall'effetto Seebeck:quando c'è una differenza di temperatura attraverso un materiale conduttore, viene generata una corrente elettrica. Storicamente, l'efficienza della conversione del calore in elettricità degli ossidi metallici era molto bassa; però, i dispositivi termoelettrici a base di ossido di metallo sono altamente desiderati a causa della loro compatibilità ambientale. L'efficienza di conversione termoelettrica di un dispositivo dipende da un fattore chiave chiamato cifra di merito termoelettrica (ZT).
Il gruppo di Hiromichi Ohta ha sviluppato un ossido di cobalto stratificato che presenta un ZT elevato ed è stabile in un intervallo di temperature di esercizio. Il noto ossido di sodio-cobalto, dove si alternano strati di ossido di sodio e cobalto, mostra uno ZT molto basso di circa 0,03, ma il materiale sviluppato dal gruppo di Ohta ha raggiunto uno ZT di 0,11. Il gruppo sostituì il sodio con altri metalli alcalini o alcalino terrosi:calcio, stronzio, e bario.
Ipotesi per il miglioramento ZT dell'ossido di cobalto stratificato. Gli ioni con massa atomica maggiore (a destra) aumenterebbero ZT poiché sopprimono la conduttività termica negli strati di ossido di cobalto. Credito:Yugo Takashima et al, Journal of Materials Chemistry A , 13 ottobre 2020
Il materiale stratificato di ossido di bario-cobalto ha mostrato uno ZT record di 0,11 a temperatura ambiente. L'aumento di ZT è direttamente causato dalla diminuzione della conduttività termica del bario. Come ipotizzato dagli scienziati, maggiore è la massa atomica, minore è la conducibilità termica, con conseguente ZT più alto. Ciò è dovuto al fatto che gli atomi più pesanti sopprimono le vibrazioni negli strati di ossido di cobalto causate dal riscaldamento. Sono necessarie ulteriori ricerche per ottimizzare la composizione del materiale per una maggiore efficacia e stabilità, oltre a determinare le applicazioni pratiche più utili.
Correlazione tra massa atomica e figura di merito termoelettrica (ZT). All'aumentare della massa atomica del metallo alcalino o alcalino-terroso, aumenta anche lo ZT. Arancia, calcio; giallo, sodio; viola, stronzio; verde, bario. Credito:Yugo Takashima et al, Journal of Materials Chemistry A , 13 ottobre 2020
Hiromichi Ohta è il capo del Laboratorio di Materiali Funzionali a Film Sottile presso il RIES, Università di Hokkaido. Le sue aree di ricerca includono Termoelettrico, modulazione di potenza termica, Optoelettronica e Iontronica.
