Sintonización de materiales termoeléctricos para la generación eficiente de energía
¿Cómo hacer más eficiente la conversión de energía y aprovechar el calor residual para producir electricidad? Investigadores del Max-Planck-Institut für Eisenforschung ajustaron la microestructura de los materiales termoeléctricos dopando los límites de los granos con titanio. Así lograron una conductividad térmica baja y una conductividad eléctrica alta óptimas.
La química y la disposición atómica de las fases del límite de grano definen el transporte de electrones a través de los límites de grano. La fase del límite de grano rica en titanio proporciona una vía conductora (izquierda), mientras que la fase del límite de grano rica en hierro es resistiva a los electrones (derecha).
© R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
En tiempos en que la energía escasea y se exploran formas sostenibles de producirla, los materiales termoeléctricos se tienen en cuenta para la generación de energía con el fin de transformar el calor residual en electricidad. Sin embargo, para que esta transformación sea más eficiente y, por tanto, utilizable a escala industrial, es necesario conocer mejor las propiedades funcionales y estructurales de los materiales. Un equipo de investigadores dirigido por el Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) ha conseguido ahora ajustar la microestructura de un nuevo y prometedor material termoeléctrico para lograr una conversión eficiente de la energía. El equipo ha publicado sus resultados en la revista Advanced Energy Materials.
Ajuste de las propiedades termoeléctricas mediante ingeniería de los límites de grano
Investigaciones anteriores han demostrado que la estructura y composición de los límites de grano son cruciales para la conductividad térmica y eléctrica de los materiales termoeléctricos. Normalmente, los límites de grano reducen tanto la conductividad térmica como la eléctrica del material, mientras que es deseable tener una conductividad térmica baja, pero eléctrica alta. El objetivo de los investigadores del MPIE, la Universidad Northwestern (EE.UU.) y el Instituto Leibniz de Investigación del Estado Sólido y los Materiales de Dresde (Alemania) era modificar los límites de grano de modo que sólo se redujera la conductividad térmica, mientras que su conductividad eléctrica se mantuviera alta. Utilizaron un compuesto intermetálico NbFeSb mitad Heusler dopado con Ti, una aleación termoeléctrica de reciente desarrollo pero muy prometedora. Tiene excelentes propiedades termoeléctricas a temperaturas medias y altas, una buena robustez térmica y mecánica y sus elementos son terrestres y benignos.
"Utilizamos técnicas avanzadas de caracterización, como la microscopía electrónica de transmisión y la tomografía por sonda atómica, para desvelar la microestructura de las aleaciones hasta la escala atómica. Nuestro análisis demostró que la química y la disposición atómica de los límites de grano pueden ajustarse para diseñar las propiedades de transporte electrónico y térmico", afirma Rubén Bueno Villoro, investigador doctoral del grupo de investigación independiente "Nanoanalítica e Interfaces" del MPIE y primer autor de la publicación. Como el tamaño de grano es pequeño, el aumento del número de fronteras de grano reduce significativamente la conductividad eléctrica. "Al dopar la aleación con titanio, descubrimos que los límites de grano se vuelven ricos en titanio y dejan de ser resistivos, por lo que podemos aprovechar plenamente la beneficiosa baja conductividad térmica que proporciona el pequeño tamaño de grano", explica el Dr. Siyuan Zhang, jefe de proyecto del mismo grupo de investigación y autor correspondiente de la publicación.
Siguiente paso: dopaje selectivo de los límites de grano
Tras demostrar la estrategia de ingeniería de los límites de grano, los investigadores están explorando nuevas formas de dopar selectivamente los límites de grano. Al relacionar las propiedades funcionales con las estructuras atómicas de características microestructurales críticas como los límites de grano, el equipo de investigadores está desarrollando nuevos principios de diseño para materiales fundamentales para un futuro sostenible.
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Publicación original
R. Bueno Villoro, D. Zavanelli, C. Jung, D.A. Mattlat, R. Hatami Naderloo, N. Pérez, K. Nielsch, G.J. Snyder, C. Scheu, R. He, S. Zhang: Grain boundary phases in NbFeSb half-Heusler alloys: A new avenue to tune transport properties of thermoelectric materials. In: Advanced Energy Materials (2023) 2204321.
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