Em um novo estudo, perovskitas inversas ambientalmente benignas com alta eficiência de conversão de energia foram relatadas por cientistas da Tokyo Tech com potencial para aplicação prática como materiais termoelétricos (TEMs). Abordando as limitações normalmente enfrentadas pelos TEMs, como a eficiência insuficiente de conversão de energia e a toxicidade ambiental devido a elementos pesados, os novos TEMs fornecem uma alternativa adequada aos TEMs baseados em elementos tóxicos com melhores propriedades termoelétricas do que os TEMs ecológicos convencionais.



Os materiais termoelétricos (TEMs) capazes de converter energia térmica em energia elétrica e vice-versa tornaram-se uma parte essencial do nosso mundo, que necessita de melhores sistemas de recolha de energia residual e sistemas de refrigeração para dispositivos eletrónicos.

A eficiência de conversão de energia dos TEMs depende de uma figura de mérito adimensional (ZT), que é produto de dois fatores diferentes:o inverso da condutividade térmica (k) e o fator de potência (PF).

Um TEM de alto desempenho exibe um ZT alto se possuir baixo k e alto PF. Ao longo dos anos, os cientistas desenvolveram vários TEMs baseados em calcogenetos de metais pesados ​​de alto desempenho, como Bi₂ Te₃ e PbTe, que atendem a esses critérios. Embora estes materiais fossem ideais para a conversão de energia, eram tóxicos para o ambiente e para a saúde dos organismos vivos – continham elementos tóxicos pesados, como o chumbo (Pb) e o telúrio (Te), o que limitava as suas aplicações práticas.

Por outro lado, embora TEMs baseados em óxidos, como SrTiO₃ , possuem diversas vantagens de não toxicidade e recursos naturais abundantes, seu ZT tem sido limitado devido ao seu alto k.

Para resolver isso, uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Takayoshi Katase, do Instituto de Tecnologia de Tóquio, explorou TEMs livres de elementos tóxicos, eficientes, mas ambientalmente benignos. Em seu estudo publicado na Advanced Science , os pesquisadores apresentam TEMs de alto ZT baseados em perovskita "inversa" com a fórmula química Ba₃ BO, onde B refere-se ao silício (Si) e ao germânio (Ge).

"Ao contrário das perovskitas normais, como SrTiO₃ , as posições dos sítios de cátions e ânions são invertidas nas perovskitas inversas Ba₃ BO. Portanto, eles contêm uma grande quantidade do elemento pesado Ba, e sua estrutura cristalina é formada por uma chama suave composta por ligações O-Ba fracas. Essas características realizam o baixo k nas perovskitas inversas”, diz o Dr. Katase, elaborando sobre as propriedades destacadas dos materiais.

A equipe de pesquisa esclareceu os policristais sintetizados de Ba₃ BO possui k extremamente baixo de 1,0–0,4 W/mK em um T de 300–600 K, que é inferior aos de Bi₂ Te₃ e granéis de PbTe. Como resultado, o Ba₃ Os volumes de BO exibem ZT bastante alto de 0,16-0,84 em T =300–623 K.

Além disso, a equipe realizou cálculos teóricos que previram um ZT máximo potencial de 2,14 para Ba₃ SiO e 1,21 para Ba₃ GeO em T =600 K otimizando a concentração de furos. O ZT máximo desses TEMs não tóxicos é muito maior do que o de outros TEMs ecológicos e comparável aos de elementos pesados ​​tóxicos na mesma faixa de temperatura.

Além disso, a equipe esclareceu que o alto ZT de Ba₃ BO é devido não apenas ao seu baixo k, mas também ao seu alto íon PF:B, que geralmente se comporta como um cátion com carga positiva, mas como um ânion com carga negativa em Ba₃ BO. Os ânions B são responsáveis ​​pelo transporte do transportador, que atinge alto PF.

Em resumo, este estudo valida o potencial do recém-projetado Ba₃ BO como uma alternativa ecológica e de alto desempenho aos TEMs convencionais baseados em elementos tóxicos e pesados.

Os resultados estabelecem as perovskitas inversas como uma opção promissora para o desenvolvimento de TEMs avançados ambientalmente benignos. A esse respeito, o Dr. Katase conclui:"Acreditamos que nossa visão única no projeto de materiais de alto ZT sem o uso de elementos tóxicos teria um forte impacto nas comunidades de ciência de materiais e química, bem como entre os inovadores que buscam expandir o horizonte do material termoelétrico aplicações além dos laboratórios em nossa vida cotidiana."

Mais informações: Xinyi He et al, Perovskita Inversa Ba₃ BO (B =Si e Ge) como material termoelétrico ambientalmente benigno de alto desempenho com baixa condutividade térmica de rede, Ciência Avançada (2023). DOI:10.1002/advs.202307058
Informações do diário: Ciência Avançada

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio