Em nossa luta contínua para reduzir o uso de combustível fóssil, tecnologia para converter diretamente o calor residual do mundo em eletricidade se destaca como muito promissora. Materiais termoelétricos, que realizam este processo de conversão de energia, tenho, portanto, recentemente se tornou o foco de intensas pesquisas em todo o mundo. Dos vários candidatos potenciais aplicáveis ​​a uma ampla gama de temperaturas, entre 30 e 630 ° C, telureto de chumbo (PbTe) oferece o melhor desempenho termoelétrico. Infelizmente, as excelentes qualidades do PbTe são eclipsadas pela natureza tóxica do chumbo, levando os pesquisadores a buscar semicondutores termoelétricos mais seguros.

Telureto de estanho (SnTe) pode ser uma alternativa. Mas não tem um desempenho tão bom quanto o PbTe, e vários métodos para melhorar seu desempenho termoelétrico estão sendo ativamente estudados. Existem dois problemas principais com SnTe que diminuem sua figura de mérito (ZT):sua alta condutividade térmica e seu baixo coeficiente de Seebeck, que determina o quão grande é a tensão termoelétrica gerada em função da temperatura. Embora os pesquisadores tenham conseguido melhorar esses parâmetros separadamente, provou-se difícil fazê-lo simultaneamente para ambos no caso do SnTe.

Em um estudo recente publicado em Chemical Engineering Journal , um par de cientistas da Universidade Chung-Ang, Coréia - Dr. Jooheon Kim e Hyun Ju - criaram uma estratégia eficaz para resolver esse problema. Sua abordagem é baseada na nanoestruturação - a produção de um material com propriedades estruturais desejadas em escala nanométrica. Neste caso particular, os cientistas produziram nanofolhas SnTe porosas. Contudo, fazer nanofolhas de SnTe é extremamente complexo usando procedimentos padrão, o que levou os cientistas a conceber uma estratégia de síntese inovadora.

Eles aproveitaram outro semicondutor:seleneto de estanho (SnSe). Este material possui uma estrutura em camadas que é relativamente fácil de esfoliar para produzir nanofolhas de SnSe. Os pesquisadores submergiram essas nanofolhas em uma solução de ácido tartárico (C ₄ H ₆ O ₆ ) e Te puro sob uma atmosfera de nitrogênio para evitar a oxidação. Que c ₄ H ₆ O ₆ faz é extrair pares Sn-Se das nanofolhas SnSe, permitindo assim que o Te dissolvido ^- s para substituir naturalmente o Se ^- ânion nos pares extraídos. Então, os pares Sn-Te juntam-se à nanofolha original de uma forma ligeiramente 'imperfeita', criando poros e limites de grão no material. O resultado de todo esse processo são nanofolhas SnTe porosas trocadas por ânions.

Os cientistas investigaram os mecanismos de reação que tornaram essas nanofolhas SnTe possíveis e procuraram cuidadosamente as condições de síntese que produziram a morfologia em nanoescala ideal. "Descobrimos que a nanoestrutura das nanofolhas SnTe porosas trocadas por ânions ideais, composto de nanopartículas de apenas 3 nm de tamanho com formas defeituosas, levou a uma redução substancial na condutividade térmica e um coeficiente de Seebeck mais alto em comparação com SnTe a granel convencional, "comenta Kim." Este é um resultado direto das nanointerfaces introduzidas, poros, e defeitos, que ajudam a "dissipar" vibrações uniformes em SnTe conhecidas como fônons, que comprometem as propriedades termoelétricas, ", acrescenta. O ZT das nanofolhas SnTe de melhor desempenho era 1,1 a uma temperatura de 650 ° C; isso é quase três vezes maior do que o SnTe em massa.

Os resultados gerais do estudo são muito promissores no campo de materiais termelétricos de alto desempenho, que está fadado a encontrar aplicações não apenas na geração de energia, mas também refrigeração, ar condicionado, transporte, e até mesmo dispositivos biomédicos. Igualmente importante, Contudo, é a percepção obtida ao explorar uma nova estratégia de síntese, como Kim explica:"O método não convencional que empregamos para obter nanofolhas SnTe porosas pode ser relevante para outros semicondutores termoelétricos, bem como na fabricação e pesquisa de materiais porosos e nanoestruturados para outras finalidades. "

Mais importante, com a captação de energia térmica sendo a aplicação mais procurada de materiais termelétricos, este estudo pode ajudar os processos industriais a se tornarem mais eficientes. Os semicondutores termoelétricos nos permitirão explorar as grandes quantidades de calor residual produzido diariamente e gerar energia elétrica útil, e mais pesquisas neste campo irão abrir o caminho para uma sociedade mais ecológica.