In un nuovo studio, gli scienziati della Tokyo Tech hanno segnalato perovskiti inverse rispettose dell'ambiente con un'elevata efficienza di conversione energetica e con un potenziale di applicazione pratica come materiali termoelettrici (TEM). Affrontando le limitazioni tipicamente affrontate dai TEM, come l'insufficiente efficienza di conversione energetica e la tossicità ambientale dovuta a elementi pesanti, i nuovi TEM forniscono un'alternativa adeguata ai TEM basati su elementi tossici con proprietà termoelettriche migliori rispetto ai TEM ecologici convenzionali.
I materiali termoelettrici (TEM) in grado di convertire l'energia termica in energia elettrica e viceversa sono diventati una parte essenziale del nostro mondo, che necessita di migliori sistemi di raccolta dell'energia di scarto e di sistemi di raffreddamento per i gadget elettronici.
L'efficienza di conversione energetica dei TEM dipende da una figura di merito adimensionale (ZT), che è il prodotto di due diversi fattori:l'inverso della conducibilità termica (k) e il fattore di potenza (PF).
Un TEM ad alte prestazioni mostra un ZT elevato se possiede un k basso e un PF alto. Nel corso degli anni, gli scienziati hanno sviluppato diversi TEM a base di calcogenuro di metalli pesanti ad alte prestazioni, come Bi2 Te3 e PbTe, che soddisfano questi criteri. Sebbene questi materiali fossero ideali per la conversione dell'energia, erano tossici per l'ambiente e la salute degli organismi viventi:contenevano elementi pesanti tossici, come piombo (Pb) e tellurio (Te), che ne limitavano le applicazioni pratiche.
D'altra parte, sebbene i TEM a base di ossido, come SrTiO3 , hanno diversi vantaggi di non tossicità e abbondanti risorse naturali, il loro ZT è stato limitato a causa del loro elevato k.
Per risolvere questo problema, un gruppo di ricerca guidato dal professore associato Takayoshi Katase del Tokyo Institute of Technology ha esplorato TEM efficienti ma rispettosi dell’ambiente, privi di elementi tossici. Nel loro studio pubblicato su Advanced Science , i ricercatori presentano TEM ad alto ZT a base di perovskite "inversa" con la formula chimica Ba3 BO, dove B si riferisce al silicio (Si) e al germanio (Ge).
"A differenza delle normali perovskiti, come SrTiO3 , le posizioni dei siti cationici e anionici sono invertite nelle perovskiti inverse Ba3 BO. Quindi contengono una grande quantità dell'elemento pesante, Ba, e la loro struttura cristallina è formata da un morbido fuoco formato da deboli legami O-Ba. Queste caratteristiche rendono conto del basso k delle perovskiti inverse", afferma il dottor Katase, elaborando le straordinarie proprietà dei materiali.
Il gruppo di ricerca ha chiarito i policristalli sfusi sintetizzati di Ba3 BO possiede un k estremamente basso di 1,0–0,4 W/mK a un T di 300–600 K, che è inferiore a quello di Bi2 Te3 e bulk di PbTe. Di conseguenza, il Ba3 I bulk BO mostrano una ZT piuttosto elevata pari a 0,16-0,84 a T =300–623 K.
Inoltre, il team ha effettuato calcoli teorici che prevedevano un potenziale ZT massimo di 2,14 per Ba3 SiO e 1,21 per Ba3 GeO a T =600 K ottimizzando la concentrazione dei fori. La ZT massima di questi TEM non tossici è molto superiore a quella di altri TEM ecologici e paragonabile a quelli degli elementi pesanti tossici nello stesso intervallo di temperature.
Inoltre, il team ha chiarito che l'alto ZT di Ba3 BO è dovuto non solo al suo basso k ma anche al suo alto PF:lo ione B, che di solito si comporta come un catione con carica positiva ma come un anione con carica negativa in Ba3 BO. Gli anioni B sono responsabili del trasporto del vettore, che raggiunge un PF elevato.
In sintesi, questo studio convalida il potenziale del Ba3 di nuova concezione BO come alternativa ecologica ed ad alte prestazioni ai tradizionali TEM tossici e basati su elementi pesanti.
I risultati stabiliscono che le perovskiti inverse rappresentano un’opzione promettente per lo sviluppo di TEM avanzati e rispettosi dell’ambiente. A questo proposito, il Dott. Katase conclude:"Crediamo che la nostra visione unica nella progettazione di materiali ad alto ZT senza l'utilizzo di elementi tossici avrebbe un forte impatto sulle comunità della scienza dei materiali e della chimica, nonché tra gli innovatori che cercano di espandere l'orizzonte dei materiali termoelettrici". applicazioni oltre i laboratori nella nostra vita quotidiana."
Ulteriori informazioni: Xinyi He et al, Perovskite inversa Ba3 BO (B =Si e Ge) come materiale termoelettrico ad alte prestazioni rispettoso dell'ambiente con conduttività termica a basso reticolo, Scienza avanzata (2023). DOI:10.1002/advs.202307058
Informazioni sul giornale: Scienza avanzata
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
