p Perseverança, Mars rover 2020 da NASA, é alimentado por algo muito desejável aqui na Terra:um dispositivo termoelétrico, que converte calor em eletricidade útil. p Em Marte, a fonte de calor é a decomposição radioativa do plutônio, e a eficiência de conversão do dispositivo é de 4-5%. Isso é bom o suficiente para alimentar o Perseverance e suas operações, mas não o suficiente para aplicações na Terra.

p Uma equipe de cientistas da Northwestern University e da Seoul National University, na Coréia, agora demonstrou um material termoelétrico de alto desempenho em uma forma prática que pode ser usado no desenvolvimento de dispositivos. O material - seleneto de estanho purificado na forma policristalina - supera a forma de cristal único na conversão de calor em eletricidade, tornando-o o sistema termoelétrico mais eficiente já registrado. Os pesquisadores conseguiram atingir a alta taxa de conversão após identificar e remover um problema de oxidação que tinha degradado o desempenho em estudos anteriores.

p O seleneto de estanho policristalino pode ser desenvolvido para uso em dispositivos termoelétricos de estado sólido em uma variedade de indústrias, com economias de energia potencialmente enormes. Um objetivo principal da aplicação é a captura de calor residual industrial - como de usinas de energia, a indústria automobilística e as fábricas de vidro e tijolos - e sua conversão em eletricidade. Mais de 65% da energia produzida globalmente a partir de combustíveis fósseis é perdida como calor residual.

p "Dispositivos termoelétricos estão em uso, mas apenas em aplicações de nicho, como no rover de Marte, "disse Mercouri Kanatzidis da Northwestern, um químico especializado em design de novos materiais. "Esses dispositivos não pegaram como as células solares, e existem desafios significativos para fazer bons. Estamos nos concentrando no desenvolvimento de um material que seja de baixo custo e alto desempenho e que impulsione os dispositivos termoelétricos para uma aplicação mais difundida. "

p Kanatzidis, o professor Charles E. e Emma H. ​​Morrison de química no Weinberg College of Arts and Sciences, é um co-autor correspondente do estudo. Ele tem um compromisso conjunto com o ArgonneNational Laboratory.

p Detalhes do material termelétrico e seu desempenho recorde serão publicados em 2 de agosto na revista. Materiais da Natureza .

p Em Chung, da Universidade Nacional de Seul, está o outro autor co-correspondente do artigo. Vinayak Dravid, o professor Abraham Harris de Ciência e Engenharia de Materiais da McCormick School of Engineering da Northwestern, é um dos autores seniores do estudo. Dravid é um colaborador de longa data de Kanatzidis.

p Dispositivos termoelétricos já estão bem definidos, diz Kanatzidis, mas o que os faz funcionar bem ou não é o material termoelétrico em seu interior. Um lado do dispositivo está quente e o outro lado frio. O material termoelétrico fica no meio. O calor flui através do material, e parte do calor é convertido em eletricidade, que sai do dispositivo por meio de fios.

p O material precisa ter uma condutividade térmica extremamente baixa, ao mesmo tempo que mantém uma boa condutividade elétrica para ser eficiente na conversão de calor residual. E porque a fonte de calor pode ser tão alta quanto 400-500 graus Celsius, o material precisa ser estável em temperaturas muito altas. Esses e outros desafios tornam os dispositivos termoelétricos mais difíceis de produzir do que as células solares.

p 'Algo diabólico estava acontecendo'

p Em 2014, Kanatzidis e sua equipe relataram a descoberta de um material surpreendente que foi o melhor do mundo na conversão de calor residual em eletricidade útil:a forma cristalina do composto químico seleneto de estanho. Embora seja uma descoberta importante, a forma de cristal único é impraticável para produção em massa devido à sua fragilidade e tendência a lascar.

p Seleneto de estanho na forma policristalina, que é mais forte e pode ser cortado e moldado para aplicações, foi necessário, então os pesquisadores passaram a estudar o material dessa forma. Em uma surpresa desagradável, eles descobriram que a condutividade térmica do material era alta, não o nível baixo desejável encontrado na forma de cristal único.

p "Percebemos que algo diabólico estava acontecendo, "Disse Kanatzidis." A expectativa era que o seleneto de estanho na forma policristalina não tivesse alta condutividade térmica, mas aconteceu. Tivemos um problema. "

p Após um exame mais detalhado, os pesquisadores descobriram uma película de estanho oxidado no material. O calor fluiu através da pele condutora, aumentando a condutividade térmica, o que é indesejável em um dispositivo termoelétrico.

p Uma solução é encontrada, abrindo portas

p Depois de aprender que a oxidação veio do próprio processo e dos materiais de partida, a equipe coreana encontrou uma maneira de remover o oxigênio. Os pesquisadores então poderiam produzir pelotas de seleneto de estanho sem oxigênio, que eles então testaram.

p A verdadeira condutividade térmica da forma policristalina foi medida e considerada inferior, como originalmente esperado. Seu desempenho como dispositivo termoelétrico, convertendo calor em eletricidade, excedeu a da forma de cristal único, tornando-o o mais eficiente já registrado.

p A eficiência da conversão de calor residual em termelétricas é refletida por sua "figura de mérito, "um número chamado ZT. Quanto maior o número, melhor será a taxa de conversão. O ZT do seleneto de estanho de cristal único foi encontrado anteriormente em aproximadamente 2,2 a 2,6 a 913 Kelvin. Neste novo estudo, os pesquisadores descobriram que o seleneto de estanho purificado na forma policristalina tinha um ZT de aproximadamente 3,1 a 783 Kelvin. Sua condutividade térmica era ultrabaixa, menor do que os monocristais.

p "Isso abre a porta para novos dispositivos a serem construídos a partir de pelotas de seleneto de estanho policristalino e suas aplicações exploradas, "Kanatzidis disse.

p A Northwestern detém a propriedade intelectual do material de seleneto de estanho. As áreas potenciais de aplicação para o material termelétrico incluem a indústria automobilística (uma quantidade significativa da energia potencial da gasolina sai do tubo de escape de um veículo), indústrias de manufatura pesada (como fabricação de vidro e tijolo, refinarias, usinas termoelétricas a carvão e a gás) e locais onde grandes motores de combustão operam continuamente (como em grandes navios e petroleiros).

p O título do artigo é "SnSe policristalino com uma figura de mérito termoelétrica maior que o monocristal".