Profitant des avancées récentes dans l'utilisation des calculs théoriques pour prédire les propriétés des nouveaux matériaux, des chercheurs ont rapporté jeudi la découverte d'une nouvelle classe de composés thermoélectriques semi-Heusler, dont un avec un facteur de mérite record, une mesure utilisée pour déterminer l'efficacité avec laquelle un matériau thermoélectrique peut convertir la chaleur en électricité.

"Il a maintenu la haute figure de mérite à toutes les températures, il pourrait donc potentiellement être important dans les applications à venir, " a déclaré le physicien Zhifeng Ren, directeur du Texas Center for Superconductivity à l'Université de Houston (TcSUH) et auteur correspondant d'un article relatant les travaux, Publié dans Communication Nature .

Les matériaux thermoélectriques ont suscité un intérêt croissant dans la communauté des chercheurs en tant que source potentielle d'énergie « propre », produit lorsque le matériau convertit la chaleur (souvent la chaleur résiduelle générée par les centrales électriques ou d'autres processus industriels) en électricité.

De nombreux matériaux prometteurs ont été découverts, bien que la plupart n'aient pas été en mesure de répondre à toutes les exigences pour des applications commerciales généralisées. Les chercheurs ont déclaré que leur découverte de composés semi-Heusler composés de tantale, le fer et l'antimoine ont donné des résultats « assez prometteurs pour la production d'énergie thermoélectrique ».

Les chercheurs ont mesuré l'efficacité de conversion d'un composé à 11,4 %, ce qui signifie que le matériau produit 11,4 watts d'électricité pour 100 watts de chaleur absorbée. Les calculs théoriques suggèrent que l'efficacité pourrait atteindre 14 %. dit Ren, qui est également professeur de physique à la chaire M.D. Anderson de l'UH. Il a noté que de nombreux dispositifs thermoélectriques auront des applications pratiques avec un rendement de conversion de 10 %.

Dans tout, les chercheurs ont prédit six composés non signalés auparavant et en ont synthétisé un avec succès, qui a fourni des performances élevées sans l'utilisation d'éléments coûteux.

"Nous avons découvert 6 composés non documentés et 5 d'entre eux sont stables avec la structure cristalline demi-Heusler, " ont-ils écrit. " Le demi-Heusler basé sur TaFeSb de type p, l'un des composés découverts dans ce travail, a démontré une performance thermoélectrique très prometteuse."

En plus de Ren et des membres de son laboratoire, le travail a impliqué des chercheurs supplémentaires à l'UH; l'Université du Missouri; le Massachusetts Institute of Technology; Laboratoire national de Pékin pour la physique de la matière condensée à l'Académie chinoise des sciences ; Université du Sud-Ouest de Chongqing, Chine; l'Institut des matériaux métalliques de Dresde, Allemagne; l'Université des sciences et technologies électroniques de Chine; et l'Université de Shanghai.

S'appuyer sur des calculs théoriques pour prédire les composés censés avoir des performances thermoélectriques élevées a permis aux chercheurs de se concentrer sur les composés les plus prometteurs. Mais en fait créer des matériaux composés de tantale, fer et antimoine, un effort mené par les chercheurs post-doctoraux de l'UH et les premiers auteurs Hangtian Zhu et Jun Mao, s'est avéré complexe, en partie parce que les composants ont des propriétés physiques si disparates.

Tantale, par exemple, a un point de fusion supérieur à 3, 000 degrés centigrades, tandis que le point de fusion de l'antimoine est de 630 centigrades. Le tantale est dur, tandis que l'antimoine est relativement doux, rendant la fusion à l'arc, une méthode courante de combinaison de matériaux, plus difficile. Ils ont pu fabriquer le composé en utilisant une combinaison de broyage à billes et de pressage à chaud.

Une fois le composé formé, les chercheurs ont déclaré qu'il offrait à la fois les propriétés physiques nécessaires ainsi que les propriétés mécaniques qui assureraient l'intégrité structurelle. Ren a déclaré que les éléments utilisés sont tous relativement disponibles et peu coûteux, rendre le composé rentable.

En plus des propriétés du composé lui-même, les chercheurs ont déclaré que leurs résultats soutiennent fortement le recours accru aux méthodes de calcul pour orienter les efforts expérimentaux.

« Il convient de noter que la synthèse expérimentale et l'évaluation minutieuse d'un composé sont coûteuses, tandis que la plupart des calculs théoriques, en particulier lorsqu'il est appliqué dans les modes à haut débit, sont relativement bon marché, " ont-ils écrit. " En tant que tel, il pourrait être avantageux d'utiliser des études théoriques plus sophistiquées pour prédire les composés avant de consacrer les efforts à une étude expérimentale minutieuse. »