Materiais termoelétricos convertem calor em eletricidade, o que os torna extremamente atraentes para a produção de energia sustentável, especialmente porque a indústria pode desperdiçar mais de dois terços de sua energia na forma de calor. Mas a produção em massa de energia termelétrica é atualmente limitada pela baixa eficiência de conversão de energia. Agora, Contudo, pesquisadores Biswanath Dutta e Poulumi Dey, do departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da TU Delft, não foram apenas capazes de explicar como as nanoestruturas em materiais termoelétricos podem melhorar a eficiência energética, mas também propor uma forma comercialmente atraente de fabricar materiais termoelétricos nanoestruturados, aumentando as chances de produção em massa de energia termoelétrica. Seus resultados foram publicados em Nano Energia .

O ponto de partida para o trabalho de Dutta e Dey foram os resultados experimentais fornecidos por seus co-pesquisadores na Coréia do Sul que trabalhavam com um conhecido material termoelétrico, um composto denominado NbCoSn half-Heusler. "Este é basicamente um tipo específico de estrutura de cristal em que você coloca certos elementos - neste caso, o nióbio, cobalto e estanho, "explica Dutta." E ao brincar com a quantidade e a posição de cada um dos elementos - por exemplo, colocando mais nióbio no lugar do cobalto - você pode ver como isso afeta a eficiência geral do material. "

O que os resultados de seus colaboradores sul-coreanos mostraram foi que em uma temperatura específica, certos tipos de nanoestruturas foram formados dentro deste material. Então, Dutta e Dey executaram simulações teóricas com base nessas observações:"Em primeiro lugar, simulamos o efeito de adicionar um ou dois átomos de cobalto extras, e em várias posições diferentes, para descobrir se isso aumentaria a eficiência ou não, "diz Dey." Descobriu-se que a posição desse cobalto extra realmente tem um papel importante em todo o desempenho deste material, o que era algo que a equipe que fazia os experimentos não conseguia explicar porque estava além da resolução de suas medições. "

Além disso, Dutta e Dey também conseguiram demonstrar um efeito conhecido como filtragem de energia:"Você pode pensar nisso como uma espécie de barreira para elétrons abaixo de uma determinada energia, o que, por sua vez, melhora a condutividade elétrica geral, "explica Dutta." Ao filtrar os elétrons de baixa energia e permitir que os elétrons de alta energia passem, há um aumento na eficiência geral. "

"Este é um efeito de nanoestrutura, "diz Dey." É a formação das nanoestruturas no resto do material, e a interface entre eles, que atua como uma barreira, então, se você não tiver essas nanoestruturas, você não terá esse efeito porque não há interface. Mas assim que essas nanoestruturas são formadas, você obtém essas interfaces que bloqueiam os elétrons de baixa energia, mas permitem que os de alta energia passem, resultando no aumento da eficiência energética geral. "

Em última análise, as simulações da TU Delft sugeriram duas razões para o aumento da eficiência energética neste material termoelétrico NbCoSn sob medida:a presença de átomos extras de cobalto em posições específicas chamadas locais intersticiais dentro da estrutura da rede, e também o efeito de filtragem de energia.

Além disso, a compreensão melhorada de por que este material termoelétrico nanoestruturado é mais eficiente em termos de energia sugere um melhor, forma mais aplicável de produzir energia termoelétrica. "Atualmente, materiais termoelétricos nanoestruturados são feitos através de um longo e rigoroso processo de britagem e aquecimento de estruturas pré-formadas, "explica Dutta" que consome tempo e energia, portanto, não é ideal para produção em massa. "Em vez de seguir a rota convencional, as equipes sugeriram começar com um material "não estruturado" ou amorfo:"A vantagem de começar com um material amorfo é que ele não tem uma estrutura subjacente e, portanto, você não precisa passar por este longo processo de moagem e aquecimento para homogeneização. Portanto, é mais eficiente em termos de energia e, portanto, muito mais útil para a produção em massa de energia termoelétrica. " Boas notícias para os engenheiros dessas indústrias que trabalham na recuperação do calor de alta temperatura.