A promessa de materiais termoelétricos como fonte de energia limpa impulsionou a busca por materiais que possam produzir com eficiência quantidades substanciais de energia a partir do calor residual.

Os pesquisadores relataram um grande avanço na sexta-feira, publicando em Avanços da Ciência a descoberta de uma nova explicação para o desempenho termoelétrico assimétrico, o fenômeno que ocorre quando um material que é altamente eficiente em uma forma que carrega uma carga positiva é muito menos eficiente na forma que carrega uma carga negativa, ou vice-versa.

Zhifeng Ren, M. D. Anderson Professor Titular de Física da Universidade de Houston, diretor do Texas Center for Superconductivity at UH e autor correspondente no artigo, disseram que desenvolveram um modelo para explicar a disparidade de desempenho até então não resolvida entre os dois tipos de formulações. Eles então aplicaram o modelo para prever novos materiais promissores para gerar energia usando o calor residual de usinas de energia e outras fontes.

Os pesquisadores já sabiam que a eficiência termoelétrica depende do desempenho do material nas duas formas, conhecido como "tipo p" e "tipo n" para transportar uma carga positiva e negativa, respectivamente. Mas a maioria dos materiais não existe em ambas as formulações ou um tipo é mais eficiente do que o outro.

Novo Material Sintetizado Promissor

É possível construir dispositivos termoelétricos eficazes usando apenas um composto do tipo p ou do tipo n, mas é mais fácil projetar um dispositivo que contenha os dois tipos; Ren disse que o melhor desempenho viria quando ambos os tipos exibissem propriedades semelhantes.

Os pesquisadores sintetizaram um dos materiais previstos, um composto de zircônio-cobalto-bismuto, e relatou uma eficiência de conversão de calor em eletricidade medida de 10,6% em ambos os lados frio, cerca de 303 Kelvin, ou cerca de 86 graus Fahrenheit, e o lado quente, cerca de 983 Kelvin (1, 310 Fahrenheit) para o tipo p e o tipo n.

Jun Mao, pesquisador pós-doutorado no UH e primeiro autor do relatório, disseram que determinaram que o desempenho assimétrico de alguns materiais está ligado ao fato de que a carga se move em taxas diferentes nos dois tipos de formulação. "Se o movimento da carga de ambas as cargas positivas, para o tipo p, e a carga negativa, para tipo n, É similar, o desempenho termelétrico de ambos os tipos é semelhante, " ele disse.

Sabendo que, eles foram capazes de usar a razão de mobilidade para prever o desempenho de formulações não estudadas anteriormente.

"Quando o desempenho termoelétrico para um tipo de material foi estudado experimentalmente, enquanto o outro tipo ainda não foi investigado, é possível prever o ZT usando a relação identificada entre a assimetria e a razão de mobilidade ponderada, "escreveram os pesquisadores. ZT, ou a figura de mérito, é uma métrica usada para determinar a eficiência com que um material termoelétrico converte calor em eletricidade.

Novo modelo prevê materiais altamente eficientes

Hangtian Zhu, um pesquisador de pós-doutorado no UH e o outro primeiro autor do relatório, disse que a próxima etapa é determinar como formular o tipo de material correspondente, uma vez que um material com alta eficiência tanto do tipo p quanto do tipo n é encontrado.

Isso pode exigir experimentação para determinar o melhor dopante - os pesquisadores ajustam o desempenho adicionando uma pequena quantidade de um elemento adicional ao composto, conhecido como "doping" - para melhorar o desempenho, Zhu disse.

É aí que entra a nova compreensão do desempenho assimétrico. Zhu disse, ao prever quais compostos terão alto desempenho em ambos os tipos, os pesquisadores são encorajados a continuar procurando a melhor combinação, mesmo que os esforços iniciais não tenham tido sucesso.