Dans une nouvelle étude, des pérovskites inverses inoffensifs pour l'environnement et présentant une efficacité de conversion d'énergie élevée ont été signalés par des scientifiques de Tokyo Tech, avec un potentiel d'application pratique en tant que matériaux thermoélectriques (TEM). Répondant aux limitations généralement rencontrées avec les TEM, telles qu'une efficacité de conversion d'énergie insuffisante et une toxicité environnementale due aux éléments lourds, les nouveaux TEM offrent une alternative appropriée aux TEM basés sur des éléments toxiques avec de meilleures propriétés thermoélectriques que les TEM écologiques conventionnels.
Les matériaux thermoélectriques (TEM) capables de convertir l'énergie thermique en énergie électrique et vice versa sont devenus un élément essentiel de notre monde, qui a besoin de meilleurs systèmes de récupération d'énergie résiduelle et de systèmes de refroidissement pour les gadgets électroniques.
L'efficacité de conversion énergétique des TEM dépend d'un facteur de mérite sans dimension (ZT), qui est le produit de deux facteurs différents :l'inverse de la conductivité thermique (k) et le facteur de puissance (PF).
Un TEM haute performance présente un ZT élevé s'il possède un faible k et un PF élevé. Au fil des années, les scientifiques ont développé plusieurs TEM à base de chalcogénure de métaux lourds haute performance, tels que Bi2 Te3 et PbTe, qui remplissent ces critères. Bien que ces matériaux soient idéaux pour la conversion d'énergie, ils étaient toxiques pour l'environnement et la santé des organismes vivants :ils contenaient des éléments lourds toxiques, tels que le plomb (Pb) et le tellure (Te), ce qui limitait leurs applications pratiques.
D'un autre côté, bien que les TEM à base d'oxydes, tels que SrTiO3 , présentent plusieurs avantages de non-toxicité et de ressources naturelles abondantes, leur ZT a été limité en raison de leur k élevé.
Pour résoudre ce problème, une équipe de recherche dirigée par le professeur agrégé Takayoshi Katase de l'Institut de technologie de Tokyo a exploré des TEM efficaces mais sans danger pour l'environnement, sans éléments toxiques. Dans leur étude publiée dans Advanced Science , les chercheurs présentent des TEM ZT élevés à base de pérovskite « inverse » avec la formule chimique Ba3 BO, où B fait référence au silicium (Si) et au germanium (Ge).
"Contrairement aux pérovskites normales, telles que SrTiO3 , les positions des sites cationiques et anioniques sont inversées dans les pérovskites inverses Ba3 BO. Ainsi, ils contiennent une grande quantité d’élément lourd, Ba, et leur structure cristalline est formée par une flamme douce composée de faibles liaisons O-Ba. Ces caractéristiques permettent d'atteindre le faible k des pérovskites inverses", explique le Dr Katase, en détaillant les propriétés remarquables des matériaux.
L'équipe de recherche a clarifié les polycristaux en vrac synthétisés de Ba3 BO possède un k extrêmement faible de 1,0 à 0,4 W/mK à un T de 300 à 600 K, ce qui est inférieur à ceux de Bi2 Te3 et des vracs de PbTe. En conséquence, le Ba3 Les vracs BO présentent un ZT plutôt élevé de 0,16 à 0,84 à T =300 à 623 K.
De plus, l'équipe a effectué des calculs théoriques qui prévoyaient un ZT maximum potentiel de 2,14 pour Ba3 SiO et 1,21 pour Ba3 GeO à T =600 K en optimisant la concentration des trous. Le ZT maximum de ces TEM non toxiques est beaucoup plus élevé que celui des autres TEM respectueux de l'environnement et comparable à ceux des éléments lourds toxiques dans la même plage de température.
De plus, l’équipe a précisé que le ZT élevé de Ba3 BO est dû non seulement à son faible k mais aussi à son PF élevé :l'ion B, qui se comporte généralement comme un cation chargé positivement mais comme un anion chargé négativement dans Ba3 BO. Les anions B sont responsables du transport du porteur, ce qui permet d'atteindre un PF élevé.
En résumé, cette étude valide le potentiel du nouveau Ba3 BO comme alternative performante et écologique aux TEM conventionnels toxiques et à base d'éléments lourds.
Les résultats établissent les pérovskites inverses comme une option prometteuse pour le développement de TEM avancés et sans danger pour l’environnement. À cet égard, le Dr Katase conclut :« Nous pensons que notre vision unique de la conception de matériaux à ZT élevé sans utiliser d'éléments toxiques aurait un impact important sur les communautés de la science des matériaux et de la chimie ainsi que parmi les innovateurs cherchant à élargir l'horizon des matériaux thermoélectriques. applications au-delà des laboratoires dans notre vie quotidienne."
Plus d'informations : Xinyi He et al, Inverse‐Perovskite Ba3 BO (B =Si et Ge) en tant que matériau thermoélectrique haute performance et respectueux de l'environnement avec une faible conductivité thermique de réseau, Science avancée (2023). DOI : 10.1002/advs.202307058
Informations sur le journal : Science avancée
Fourni par l'Institut de technologie de Tokyo
