Les matériaux thermoélectriques nous permettront de produire de l'électricité utile à partir des énormes quantités de chaleur résiduelle générées en continu dans les processus industriels. Crédit :Wirestock sur Freepik
Dans notre lutte permanente pour réduire l'utilisation des combustibles fossiles, La technologie permettant de convertir directement la chaleur résiduelle mondiale en électricité est très prometteuse. Matériaux thermoélectriques, qui réalisent ce processus de conversion d'énergie, ont, Donc, sont récemment devenus l'objet d'intenses recherches dans le monde entier. Parmi les différents candidats potentiels applicables à une large gamme de températures, entre 30 et 630°C, Le tellurure de plomb (PbTe) offre les meilleures performances thermoélectriques. Malheureusement, les qualités exceptionnelles du PbTe sont éclipsées par la nature toxique du plomb, incitant les chercheurs à se pencher sur des semi-conducteurs thermoélectriques plus sûrs.
Le tellurure d'étain (SnTe) pourrait être une alternative. Mais il ne fonctionne pas aussi bien que le PbTe, et diverses méthodes pour améliorer ses performances thermoélectriques sont activement étudiées. Il y a deux problèmes principaux avec le SnTe qui abaissent son facteur de mérite (ZT) :sa conductivité thermique élevée et son faible coefficient Seebeck, qui détermine la taille de la tension thermoélectrique générée en fonction de la température. Bien que les chercheurs aient réussi à améliorer ces paramètres séparément, il s'est avéré difficile de le faire pour les deux simultanément dans le cas du SnTe.
Dans une étude récente publiée dans Revue de génie chimique , une paire de scientifiques de l'Université de Chung-Ang, Corée—Dr. Jooheon Kim et Hyun Ju ont mis au point une stratégie efficace pour résoudre ce problème. Leur approche est basée sur la nanostructuration, c'est-à-dire la production d'un matériau avec les propriétés structurelles souhaitées à l'échelle nanométrique. Dans ce cas particulier, les scientifiques ont produit des nanofeuillets poreux de SnTe. Cependant, fabriquer des nanofeuillets à partir de SnTe est remarquablement complexe en utilisant des procédures standard, ce qui a incité les scientifiques à concevoir une stratégie de synthèse innovante.
Ils ont profité d'un autre semi-conducteur :le séléniure d'étain (SnSe). Ce matériau porte une structure en couches qui est relativement facile à exfolier pour produire des nanofeuillets de SnSe. Les chercheurs ont immergé ces nanofeuillets dans une solution d'acide tartrique (C
Les scientifiques ont étudié les mécanismes de réaction qui ont rendu possibles ces nanofeuillets de SnTe et ont soigneusement recherché les conditions de synthèse qui ont produit la morphologie nanométrique optimale. "Nous avons constaté que la nanostructure des nanofeuillets poreux de SnTe à échange d'anions optimaux, composé de nanoparticules de seulement 3 nm avec des formes défectueuses, conduit à une réduction substantielle de la conductivité thermique et à un coefficient Seebeck plus élevé par rapport au SnTe en vrac conventionnel, " remarque Kim. " C'est un résultat direct des nanointerfaces introduites, pores, et défauts, qui aident à « dissiper » des vibrations autrement uniformes dans SnTe connues sous le nom de phonons, qui compromettent les propriétés thermoélectriques, " ajoute-t-il. Le ZT des nanofeuillets de SnTe les plus performantes était de 1,1 à une température de 650 °C, soit presque trois fois plus que celui du SnTe en vrac.
Les résultats globaux de l'étude sont très prometteurs dans le domaine des matériaux thermoélectriques à hautes performances, qui doit trouver des applications non seulement dans la production d'énergie, mais aussi la réfrigération, climatisation, transport, et même des dispositifs biomédicaux. D'importance égale, cependant, est la perspicacité acquise en explorant une nouvelle stratégie de synthèse, comme l'explique Kim :« La méthode non conventionnelle que nous avons utilisée pour obtenir des nanofeuillets de SnTe poreux pourrait être pertinente pour d'autres semi-conducteurs thermoélectriques, ainsi que dans la fabrication et la recherche de matériaux poreux et nanostructurés à d'autres fins."
Plus important encore, la récupération d'énergie thermique étant l'application la plus recherchée des matériaux thermoélectriques, cette étude pourrait aider les processus industriels à devenir plus efficaces. Les semi-conducteurs thermoélectriques nous permettront d'exploiter les grandes quantités de chaleur résiduelle produites quotidiennement et de produire de l'énergie électrique utile, et d'autres recherches dans ce domaine ouvriront, espérons-le, la voie à une société plus respectueuse de l'environnement.
