Realisering af miljøvenlige og højtydende termoelektriske materialer

I en ny undersøgelse er miljøvenlige omvendte perovskiter med høj energikonverteringseffektivitet blevet rapporteret af Tokyo Tech-forskere med potentiale for praktisk anvendelse som termoelektriske materialer (TEM'er). For at løse de begrænsninger, der typisk er forbundet med TEM'er, såsom utilstrækkelig energiomdannelseseffektivitet og miljøgiftighed på grund af tunge elementer, giver de nye TEM'er et passende alternativ til TEM'er baseret på giftige elementer med bedre termoelektriske egenskaber end konventionelle miljøvenlige TEM'er.

Termoelektriske materialer (TEM'er), der er i stand til at konvertere termisk energi til elektrisk energi og omvendt, er blevet en væsentlig del af vores verden, som har brug for bedre systemer til høst af affaldsenergi og kølesystemer til elektroniske gadgets.

Energikonverteringseffektiviteten af ​​TEM'er afhænger af et dimensionsløst værdital (ZT), som er et produkt af to forskellige faktorer:den omvendte termisk ledningsevne (k) og effektfaktoren (PF).

En højtydende TEM udviser en høj ZT, hvis den har lav k og høj PF. I årenes løb har forskere udviklet adskillige højtydende tungmetalchalcogenid-baserede TEM'er, såsom Bi₂ Te₃ og PbTe, der opfylder disse kriterier. Selvom disse materialer var ideelle til energiomdannelse, var de giftige for miljøet og sundheden for levende organismer - de indeholdt giftige tunge elementer, såsom bly (Pb) og tellur (Te), hvilket begrænsede deres praktiske anvendelser.

På den anden side, selvom oxidbaserede TEM'er, såsom SrTiO₃ , har flere fordele ved ikke-toksicitet og rigelige naturressourcer, deres ZT er blevet begrænset på grund af deres høje k.

For at løse dette udforskede et forskerhold ledet af lektor Takayoshi Katase fra Tokyo Institute of Technology effektive, men miljøvenlige, giftige elementer-fri TEM'er. I deres undersøgelse offentliggjort i Advanced Science , præsenterer forskerne "inverse"-perovskit-baserede høje ZT TEM'er med den kemiske formel Ba₃ BO, hvor B henviser til silicium (Si) og germanium (Ge).

"I modsætning til normale perovskites, såsom SrTiO₃ , er positionerne af kation- og anionsteder inverteret i inverse-perovskites Ba₃ BO. Så de indeholder en stor mængde af det tunge element, Ba, og deres krystalstruktur er dannet af et blødt flammeværk, der består af svage O-Ba-bindinger. Disse egenskaber realiserer den lave k i omvendte perovskitter," siger Dr. Katase og uddyber materialernes iøjnefaldende egenskaber.

Forskerholdet afklarede de syntetiserede bulkpolykrystaller af Ba₃ BO har ekstremt lav k på 1,0-0,4 W/mK ved en T på 300-600 K, hvilket er lavere end Bi₂ Te₃ og PbTe bulks. Som et resultat vil Ba₃ BO-masser udviser ret høj ZT på 0,16-0,84 ved T =300-623 K.

Derudover udførte holdet teoretiske beregninger, som forudsagde en potentiel maksimal ZT på 2,14 for Ba₃ SiO og 1,21 for Ba₃ GeO ved T =600 K ved at optimere hulkoncentrationen. Den maksimale ZT for disse ikke-toksiske TEM'er er meget højere end for andre miljøvenlige TEM'er og kan sammenlignes med de giftige tunge elementer i samme temperaturområde.

Derudover præciserede holdet, at den høje ZT af Ba₃ BO skyldes ikke kun dens lave k, men også dens høje PF:B-ion, der normalt opfører sig som en positivt ladet kation, men som en negativt ladet anion i Ba₃ BO. B anionerne er ansvarlige for bærertransporten, som opnår høj PF.

Sammenfattende validerer denne undersøgelse potentialet i den nydesignede Ba₃ BO som et højtydende og miljøvenligt alternativ til konventionelle giftige, tunge grundstoffer-baserede TEM'er.

Resultaterne fastslår inverse perovskites som en lovende mulighed for at udvikle avancerede miljøvenlige TEM'er. I denne henseende konkluderer Dr. Katase, "Vi tror, ​​at vores unikke indsigt i at designe materialer med høj ZT uden brug af giftige elementer ville have en stærk indvirkning på materialevidenskab og kemisamfund såvel som blandt innovatører, der ønsker at udvide horisonten for termoelektrisk materiale. applikationer ud over laboratorier i vores hverdag."

Flere oplysninger: Xinyi He et al., Inverse-Perovskite Ba₃ BO (B =Si og Ge) som et højtydende miljøvenligt termoelektrisk materiale med lav gittertermisk ledningsevne, avanceret videnskab (2023). DOI:10.1002/advs.202307058

Journaloplysninger: Avanceret videnskab

Leveret af Tokyo Institute of Technology