Nella nostra continua lotta per ridurre l'uso di combustibili fossili, La tecnologia per convertire direttamente il calore di scarto del mondo in elettricità è molto promettente. Materiali termoelettrici, che svolgono questo processo di conversione dell'energia, avere, così, recentemente diventato il fulcro di un'intensa ricerca in tutto il mondo. Dei vari potenziali candidati applicabili a un'ampia gamma di temperature, tra 30 e 630 °C, il tellururo di piombo (PbTe) offre le migliori prestazioni termoelettriche. Sfortunatamente, le eccezionali qualità del PbTe sono eclissate dalla natura tossica del piombo, spingendo i ricercatori a esaminare semiconduttori termoelettrici più sicuri.

Il tellururo di stagno (SnTe) potrebbe essere un'alternativa. Ma non si comporta così bene come il PbTe, e sono allo studio vari metodi per migliorarne le prestazioni termoelettriche. Ci sono due problemi principali con SnTe che abbassano la sua cifra di merito (ZT):la sua elevata conduttività termica e il suo basso coefficiente di Seebeck, che determina quanto è grande la tensione termoelettrica generata in funzione della temperatura. Sebbene i ricercatori siano riusciti a migliorare questi parametri separatamente, si è rivelato difficile farlo per entrambi contemporaneamente nel caso di SnTe.

In un recente studio pubblicato su Giornale di ingegneria chimica , una coppia di scienziati della Chung-Ang University, Corea - Dott. Jooheon Kim e Hyun Ju hanno escogitato una strategia efficace per risolvere questo problema. Il loro approccio si basa sulla nanostrutturazione, ovvero la produzione di un materiale con proprietà strutturali desiderate su scala nanometrica. In questo caso particolare, gli scienziati hanno prodotto nanofogli di SnTe porosi. Però, realizzare nanofogli di SnTe è notevolmente complesso utilizzando procedure standard, che ha spinto gli scienziati a ideare una strategia di sintesi innovativa.

Hanno approfittato di un altro semiconduttore:il seleniuro di stagno (SnSe). Questo materiale ha una struttura a strati relativamente facile da esfoliare per produrre nanofogli SnSe. I ricercatori hanno immerso questi nanofogli in una soluzione di acido tartarico (C ₄ h ₆ oh ₆ ) e Te puro in atmosfera di azoto per prevenire l'ossidazione. cosa c ₄ h ₆ oh ₆ non è estrarre coppie Sn-Se dai nanosheet di SnSe, consentendo così il Te . disciolto ^- s per sostituire naturalmente il Se ^- anione nelle coppie estratte. Quindi, le coppie Sn-Te si ricongiungono al nanofoglio originale in modo leggermente 'imperfetto', creando pori e bordi di grano nel materiale. Il risultato di questo intero processo sono nanosheet porosi di SnTe scambiati con anioni.

Gli scienziati hanno studiato i meccanismi di reazione che hanno reso possibili questi nanofogli di SnTe e hanno cercato attentamente le condizioni di sintesi che hanno prodotto la morfologia ottimale su nanoscala. "Abbiamo scoperto che la nanostruttura dei nanofogli SnTe porosi scambiati con anioni ottimali, composto da nanoparticelle di soli 3 nm di dimensione con forme difettose, ha portato a una sostanziale riduzione della conduttività termica e a un coefficiente di Seebeck più elevato rispetto allo SnTe sfuso convenzionale, " osserva Kim. "Questo è un risultato diretto delle nanointerfacce introdotte, pori, e difetti, che aiutano a "dissipare" vibrazioni altrimenti uniformi in SnTe note come fononi, che compromettono le proprietà termoelettriche, " aggiunge. Lo ZT dei nanosheet di SnTe più performanti era 1,1 a una temperatura di 650 °C, ovvero quasi tre volte superiore a quello del SnTe bulk.

I risultati complessivi dello studio sono molto promettenti nel campo dei materiali termoelettrici ad alte prestazioni, che è destinato a trovare applicazioni non solo nella generazione di energia, ma anche refrigerazione, aria condizionata, trasporto, e persino dispositivi biomedici. Ugualmente importante, però, è l'intuizione acquisita esplorando una nuova strategia di sintesi, come spiega Kim:"Il metodo non convenzionale che abbiamo impiegato per ottenere nanofogli di SnTe porosi potrebbe essere rilevante per altri semiconduttori termoelettrici, così come nella fabbricazione e ricerca di materiali porosi e nanostrutturati per altri scopi."

Più importante, essendo la raccolta di energia termica l'applicazione più ricercata dei materiali termoelettrici, questo studio potrebbe aiutare i processi industriali a diventare più efficienti. I semiconduttori termoelettrici ci permetteranno di attingere alle grandi quantità di calore di scarto prodotte giornalmente e produrre energia elettrica utile, e si spera che ulteriori ricerche in questo campo aprano la strada a una società più ecocompatibile.