En la producción de energía, casi dos tercios del aporte de energía de los combustibles fósiles se pierden como calor residual. La industria tiene hambre de materiales que puedan convertir este calor en electricidad útil, pero es difícil encontrar un buen material termoeléctrico.
Es esencial aumentar la eficiencia de los materiales termoeléctricos si se van a utilizar comercialmente. Investigadores de la Universidad de Northwestern ahora informan que el dopado de seleniuro de estaño con sodio aumenta su rendimiento como material termoeléctrico, empujándolo hacia su utilidad. El material dopado produce una cantidad significativamente mayorde electricidad que el material sin dopar, dada la misma cantidad de entrada de calor.
Los detalles del seleniuro de estaño dopado con sodio, el material termoeléctrico más eficiente hasta la fecha en la producción de electricidad a partir del calor residual, serán publicados por la revista el 26 de noviembre ciencia .
El desarrollo del Noroeste podría conducir a nuevos dispositivos termoeléctricos con aplicaciones potenciales en la industria del automóvil, fábricas de fabricación de vidrio y ladrillo, refinerías, plantas de energía de carbón y gas, y lugares donde los grandes motores de combustión operan continuamente como engrandes barcos y petroleros.
La mayoría de los materiales semiconductores, como el silicio, tienen una sola banda de conducción para trabajar para el dopaje, pero el seleniuro de estaño es inusual y tiene múltiples bandas; los investigadores aprovecharon estas bandas. Mostraron que podían usar sodio para acceder a estos canales yenvía electrones rápidamente a través del material, aumentando la eficiencia de conversión de calor.
"El secreto de nuestro material es que el dopaje multibanda produce propiedades eléctricas mejoradas", dijo Mercouri G. Kanatzidis, un químico inorgánico que dirigió el equipo multidisciplinario. "Al dopar múltiples bandas, podemos multiplicar el efecto positivo. Para aumentarla eficiencia, necesitamos que los electrones sean lo más móviles posible. El seleniuro de estaño nos proporciona una supercarretera: tiene al menos cuatro carriles rápidos para portadores de agujeros en lugar de un carril congestionado ".
Kanatzidis, profesor de química de Charles E. y Emma H. Morrison en el Colegio de Artes y Ciencias de Weinberg, es un líder mundial en investigación de materiales termoeléctricos. Es el autor correspondiente del artículo.
Para producir un voltaje, un buen material termoeléctrico necesita mantener un lado caliente, donde está el calor residual, por ejemplo, mientras el otro lado permanece frío un voltaje se puede cosechar como energía. Menos de dos añosHace tiempo, Kanatzidis y su equipo, con el compañero posdoctoral Lidong Zhao como protagonista, identificaron al seleniuro de estaño como un material termoeléctrico sorprendentemente bueno; es un mal conductor del calor muy parecido a la madera, una propiedad deseable para un termoeléctrico, mientras se mantiene bienconductividad eléctrica.
El colega de Kanatzidis, Christopher M. Wolverton, un teórico computacional, calculó la estructura electrónica del seleniuro de estaño. Descubrió que las propiedades eléctricas podrían mejorarse agregando un material antidopaje.
"El seleniuro de estaño es muy inusual, no solo por su conductividad térmica extremadamente baja, sino también porque tiene muchos carriles de conducción", dijo Wolverton, autor principal del artículo y profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Escuela McCormick deIngeniería y Ciencias Aplicadas: "Nuestros cálculos decían que si el material podía doparse, su potencia térmica y su conductividad eléctrica aumentarían. Pero no sabíamos qué usar como dopante".
El sodio fue el primer dopante que los investigadores probaron, y produjo los resultados que estaban buscando. "Los cálculos de Chris nos abrieron los ojos al dopaje", dijo Kanatzidis. Él y Zhao cultivaron con éxito cristales del nuevo material dopado.
Los investigadores también se complacieron al ver que agregar sodio no afectaba la conductividad térmica del material, que ya era muy baja. Se mantuvo baja, por lo que el calor permanece en un lado del material termoeléctrico. A los electrones les gusta tener poca energíaestado, por lo que se mueven del lado caliente alta energía al lado frío. El lado caliente se vuelve positivo y el lado frío se vuelve negativo, creando un voltaje.
"Anteriormente, no había un camino obvio para encontrar termoeléctricas mejoradas", dijo Wolverton. "Ahora hemos descubierto algunas perillas útiles para girar a medida que desarrollamos nuevos materiales".
La eficiencia de la conversión de calor residual en termoeléctricos se refleja en su "figura de mérito", llamada ZT. En abril de 2014, los investigadores informaron que el seleniuro de estaño exhibe una ZT de 2.6 a alrededor de 650 grados Celsius. Esa fue la ZT más alta parafecha: un récord mundial. Pero el material no dopado produjo ese ZT récord solo a esa temperatura hay un ZT para cada temperatura.
El nuevo material dopado produce altas ZT en un amplio rango de temperatura, desde temperatura ambiente hasta 500 grados Celsius. Por lo tanto, la ZT promedio del material dopado es mucho mayor, lo que resulta en una mayor eficiencia de conversión.
"Ahora tenemos ZT récord en un amplio rango de temperaturas", dijo Kanatzidis. "Cuanto mayor es la diferencia de temperatura en un dispositivo termoeléctrico, mayor es la eficiencia".
El documento se titula "Factor de potencia ultra alto y rendimiento termoeléctrico en SnSe de cristal único dopado con orificio". Zhao, quien ahora es profesor en la Universidad Beihang en Beijing, es el primer autor del artículo.
Además de Kanatzidis, Wolverton y Zhao, otros autores del artículo son Gangjian Tan, Shiqiang Hao y Vinayak P. Dravid, de la Universidad del Noroeste; Jiaqing He, de la Universidad del Sur de Ciencia y Tecnología de China; Yanling Pei, ShengkaiGong y Huibin Xu, de la Universidad de Beihang; Hang Chi y Ctirad Uher, de la Universidad de Michigan; y Heng Wang y G. Jeffrey Snyder, del Instituto de Tecnología de California.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Universidad del Noroeste . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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