A abordagem de materiais termoelétricos aumenta a convergência de banda para evitar uma abordagem demorada de tentativa e erro
O dispositivo caseiro de medição de eficiência de conversão de energia da equipe de pesquisa que também pode medir a temperatura do lado resfriado. Crédito:Universidade de Houston Os materiais termoelétricos poderão desempenhar um papel importante na transição para as energias limpas, uma vez que podem produzir eletricidade a partir de fontes de calor que, de outra forma, seriam desperdiçadas sem gerar gases com efeito de estufa adicionais ou sem exigir grandes investimentos iniciais. Mas a sua promessa foi retardada pelo facto de a maioria dos materiais termoeléctricos actuais não produzirem energia suficiente para serem úteis em muitas aplicações práticas.
A busca por materiais novos e mais eficientes envolvendo composições químicas complexas tem sido trabalhosa, exigindo testes experimentais de cada nova composição multimaterial proposta, e muitas vezes envolveu o uso de elementos tóxicos ou raros. Em artigo publicado na revista Science , pesquisadores da Universidade de Houston e da Universidade Rice relatam uma nova abordagem para prever a realização da convergência de bandas em uma série de materiais.
Depois de demonstrar que um material assim projetado, um composto Zintl tipo p, ofereceria desempenho termoelétrico altamente eficiente, eles fabricaram um módulo termoelétrico e relataram uma eficiência de conversão de calor em eletricidade superior a 10% a uma diferença de temperatura de 475 Kelvin, ou cerca de 855 graus Fahrenheit.
Zhifeng Ren, diretor do Centro de Supercondutividade do Texas em UH (TcSUH) e autor correspondente do artigo, disse que o desempenho dos materiais permaneceu estável por mais de dois anos.
Embora uma variedade de abordagens tenham sido usadas para melhorar a eficiência, um conceito conhecido como convergência de banda eletrônica ganhou atenção por seu potencial para melhorar o desempenho termoelétrico.
“Normalmente é difícil obter alto desempenho de materiais termoelétricos porque nem todas as bandas eletrônicas de um material contribuem”, disse Ren. “É ainda mais difícil fazer um material complexo onde todas as bandas trabalham ao mesmo tempo para conseguir a melhor performance”.
Para este trabalho, disse ele, os cientistas primeiro se concentraram em elaborar um cálculo para determinar como construir um material no qual todas as diferentes faixas de energia possam contribuir para o desempenho geral. Eles então demonstraram que o cálculo funcionou tanto na prática quanto na teoria, construindo um módulo para verificar ainda mais o alto desempenho obtido no nível do dispositivo.
A convergência de bandas é considerada uma boa abordagem para melhorar materiais termoelétricos porque aumenta o fator de potência termoelétrica, que está relacionado à potência real de saída do módulo termoelétrico. Mas até agora, descobrir novos materiais com forte convergência de bandas era demorado e resultava em muitos falsos começos.
"A abordagem padrão é tentativa e erro", disse Ren, que também é Paul C.W. Chu e May P. Chern Endowed Chair em Condensed Matter Physics na UH. “Em vez de fazer muitos experimentos, esse método nos permite eliminar possibilidades desnecessárias que não darão melhores resultados”.
Para prever com eficiência como criar o material mais eficaz, os pesquisadores usaram uma liga Zintl de alta entropia, YbxCa1-x MgyZn2 anos Sb2 , como estudo de caso, desenhando uma série de composições através das quais a convergência de bandas foi alcançada simultaneamente em todas as composições.
Ren descreveu como funciona assim:Se uma equipe de 10 pessoas tentar levantar um objeto, os membros mais altos carregarão a maior parte da carga, enquanto os membros mais baixos não contribuirão tanto. Na convergência de banda, o objetivo é tornar todos os membros da equipe da banda mais semelhantes – os membros mais altos da banda seriam mais baixos, neste exemplo, e os membros mais baixos, mais altos – para que todos possam contribuir para carregar a carga geral.
Aqui, os pesquisadores começaram com quatro compostos parentais contendo cinco elementos no total – itérbio, cálcio, magnésio, zinco e antimônio – executando cálculos para determinar quais combinações dos compostos parentais poderiam alcançar a convergência de bandas. Determinado isso, eles escolheram a melhor entre essas composições de alto desempenho para construir o dispositivo termoelétrico.
"Sem esse método, você teria que experimentar e tentar todas as possibilidades", disse Xin Shi, estudante de graduação da UH no grupo de Ren e principal autor do artigo. "Não há outra maneira de fazer isso. Agora, primeiro fazemos um cálculo, projetamos um material e depois o fabricamos e testamos."
O método de cálculo também poderia ser usado para outros materiais multicompostos, permitindo aos pesquisadores usar essa abordagem para criar novos materiais termoelétricos. Uma vez identificados os compostos originais adequados, o cálculo determina qual proporção de cada um deve ser usada na liga final.
Além de Ren e Shi, os autores do artigo incluem o Dr. Shaowei Song, pesquisador do Texas Center for Superconductivity, e o Dr. Gao está agora no UH.
