Aproveitando os avanços recentes no uso de cálculos teóricos para prever as propriedades de novos materiais, pesquisadores relataram quinta-feira a descoberta de uma nova classe de compostos termoelétricos Half-Heusler, incluindo um com uma figura de mérito recorde - uma métrica usada para determinar a eficiência com que um material termoelétrico pode converter calor em eletricidade.

“Manteve a alta cifra de mérito em todas as temperaturas, então pode ser potencialmente importante em aplicações futuras, "disse o físico Zhifeng Ren, diretor do Texas Center for Superconductivity da University of Houston (TcSUH) e autor correspondente em um artigo relatando o trabalho, publicado em Nature Communications .

Os materiais termoelétricos têm atraído cada vez mais interesse na comunidade de pesquisa como uma fonte potencial de energia "limpa", produzido quando o material converte calor - geralmente calor residual gerado por usinas de energia ou outros processos industriais - em eletricidade.

Uma série de materiais promissores foram descobertos, embora a maioria não tenha conseguido atender a todos os requisitos para aplicações comerciais generalizadas. Os pesquisadores disseram que a descoberta de compostos de meio-Heusler compostos de tântalo, o ferro e o antimônio produziram resultados "bastante promissores para a geração de energia termoelétrica".

Os pesquisadores mediram a eficiência de conversão de um composto em 11,4 por cento - o que significa que o material produziu 11,4 watts de eletricidade para cada 100 watts de calor absorvido. Cálculos teóricos sugerem que a eficiência pode chegar a 14 por cento, disse Ren, que também é M.D. Anderson Chair professor de física na UH. Ele observou que muitos dispositivos termoelétricos terão aplicações práticas com uma eficiência de conversão de 10 por cento.

Em tudo, os pesquisadores previram seis compostos não relatados anteriormente e sintetizaram um com sucesso, que entregou alto desempenho sem o uso de elementos caros.

"Descobrimos 6 compostos não documentados e 5 deles são estáveis ​​com a estrutura de cristal de meio-Heusler, "eles escreveram." O meio-Heusler baseado em TaFeSb tipo p, um dos compostos descobertos neste trabalho, demonstrou um desempenho termoelétrico muito promissor. "

Além de Ren e membros de seu laboratório, o trabalho envolveu pesquisadores adicionais do HU; a Universidade de Missouri; o Instituto de Tecnologia de Massachusetts; Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim na Academia Chinesa de Ciências; Southwest University em Chongqing, China; o Instituto de Materiais Metálicos de Dresden, Alemanha; a Universidade de Ciência Eletrônica e Tecnologia da China; e a Universidade de Xangai.

Contar com cálculos teóricos para prever compostos com alto desempenho termoelétrico permitiu aos pesquisadores aprimorar os compostos mais promissores. Mas, na verdade, criando materiais compostos de tântalo, ferro e antimônio, um esforço liderado por pesquisadores de pós-doutorado de UH e primeiros autores Hangtian Zhu e Jun Mao, provou ser complexo, em parte porque os componentes têm propriedades físicas díspares.

Tântalo, por exemplo, tem um ponto de fusão acima de 3, 000 graus centígrados, enquanto o ponto de fusão do antimônio é 630 centígrados. Tântalo é difícil, enquanto o antimônio é relativamente macio, tornando a fusão por arco - um método comum de combinação de materiais - mais difícil. Eles foram capazes de fazer o composto usando uma combinação de moagem de bolas e prensagem a quente.

Uma vez que o composto foi formado, os pesquisadores disseram que oferece tanto as propriedades físicas necessárias quanto as propriedades mecânicas que garantem a integridade estrutural. Ren disse que os elementos usados ​​estão todos relativamente disponíveis e baratos, tornando o composto de baixo custo.

Além das propriedades do próprio composto, os pesquisadores disseram que seus resultados oferecem um forte apoio para uma maior confiança em métodos computacionais para direcionar os esforços experimentais.

"Deve-se notar que a síntese experimental cuidadosa e a avaliação de um composto são caras, enquanto a maioria dos cálculos teóricos, especialmente quando aplicado em modos de alto rendimento, são relativamente baratos, "eles escreveram." Como tal, pode ser benéfico usar estudos teóricos mais sofisticados na previsão de compostos antes de dedicar os esforços para um estudo experimental cuidadoso. "