Al dopar un material termoeléctrico con pequeñas cantidades de azufre, un equipo de investigadores ha encontrado un nuevo camino hacia grandes mejoras en la eficiencia de los materiales para el calentamiento y enfriamiento de estado sólido y la recuperación de energía residual. Este enfoque altera profundamente la estructura de la banda electrónicadel material, seleniuro de telururo de bismuto, que mejora la llamada "figura del mérito", una clasificación del rendimiento de un material que determina la eficiencia en las aplicaciones y abre la puerta a aplicaciones avanzadas de materiales termoeléctricos para recolectar el calor residual de las centrales eléctricas parachips de ordenador.
"Este es un avance emocionante porque nos permite desenredar dos propiedades acopladas desfavorablemente que limitan el rendimiento termoeléctrico", dijo Ganpati Ramanath, experto en nanomateriales, y el Profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales John Tod Horton '52 en el Instituto Politécnico de Rensselaer RPI, quien dirigió el equipo. "Además, nuestro enfoque funciona tanto para nanocristales como para materiales a granel, lo cual es relevante para las aplicaciones".
Los materiales termoeléctricos pueden convertir un voltaje en un gradiente térmico, causando que un lado de un material se caliente o enfríe, y viceversa. La eficiencia con la que un material puede convertir un voltaje en un gradiente térmico es principalmentedeterminado por la figura de mérito del material Los materiales termoeléctricos de última generación no son muy eficientes, lo que limita su uso a aplicaciones de nicho como refrigeradores de picnic, calentadores de agua domésticos, control de clima en el asiento del automóvil y gafas de visión nocturna.En términos de mérito, los materiales termoeléctricos podrían usarse para aplicaciones más avanzadas, como la recolección de calor residual en plantas de energía y motores, y el enfriamiento de chips de computadora.
"El setenta por ciento de toda la pérdida de energía es calor. Si podemos generar incluso un 5 por ciento más de electricidad a partir de ese calor residual, estaremos en camino de tener un gran impacto en la producción de energía y la reducción de las emisiones de dióxido de carbono", dijo TheoBorca-Tasciuc, profesor de ingeniería mecánica en Rensselaer y miembro clave del equipo, con experiencia en física y sistemas térmicos. "La termoeléctrica también podría permitir sistemas de bomba de calor eficientes, compactos y modulares para revolucionar el aire acondicionado para aplicaciones en automóviles y edificios."
La figura del mérito de un material termoeléctrico depende de tres propiedades: conductividad eléctrica: la capacidad del material para conducir electrones; coeficiente de Seebeck: la capacidad de convertir de forma cruzada la electricidad y el calor; y la conductividad térmica: la capacidad deel material para conducir el calor. Para una alta figura de mérito, un material tendría alta conductividad eléctrica, alto coeficiente de Seebeck y baja conductividad térmica. Una barrera para lograr una alta figura de mérito es que la conductividad eléctrica y el coeficiente de Seebeck tienen una relación inversa;uno aumenta el otro disminuye.
"Al dopar el seleniuro de telururo de bismuto con cientos de partes por millón de azufre, podemos aumentar tanto la conductividad eléctrica como el coeficiente Seebeck en nanocristales, así como materiales a granel hechos de nanocristales", dijo Ramanath. La investigación demuestra un aumentoal 80 por ciento de aumento en la cifra de mérito del material a granel. "Podrían ser posibles mejoras mayores con un mayor dopaje o el uso de otros dopantes".
"El gran desafío en la generación de energía con termoeléctricos es cómo obtener alto voltaje y baja resistencia al mismo tiempo. Nuestro trabajo muestra un nuevo e importante camino a seguir: necesitamos optimizar este método y ponerlo en práctica", dijo DavidSingh, un profesor de la Universidad de Missouri cuyos cálculos teóricos proporcionan una base para explicar los resultados observados en términos de cambios complejos en la forma de la estructura de banda electrónica.
La investigación se detalla en la edición en línea del 11 de mayo de 2016 de Advanced Materials en el artículo "Aprovechamiento de los efectos de la banda topológica en selenuro de telururo de bismuto para grandes mejoras en las propiedades termoeléctricas a través del dopaje isovalente". El trabajo es una colaboración entre investigadores de Rensselaer, La Universidad de Missouri y el Instituto Max Planck para la Investigación del Estado Sólido en Alemania. Por este trabajo, Devender, el primer autor del artículo y estudiante de doctorado de Ramanath, recibió un premio Norman Stoloff a la excelencia en investigación de posgrado del Departamentode Ciencia e Ingeniería de Materiales en Rensselaer. Devender actualmente trabaja en GlobalFoundries Inc.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Politécnico Rensselaer RPI . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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