In onze voortdurende strijd om het gebruik van fossiele brandstoffen te verminderen, technologie om de restwarmte van de wereld direct om te zetten in elektriciteit is veelbelovend. Thermo-elektrische materialen, die dit energieomzettingsproces uitvoeren, hebben, dus, onlangs de focus geworden van intensief onderzoek over de hele wereld. Van de verschillende potentiële kandidaten die toepasbaar zijn bij een breed temperatuurbereik, tussen 30 en 630 °C, loodtelluride (PbTe) biedt de beste thermo-elektrische prestaties. Helaas, de uitstekende eigenschappen van PbTe worden overschaduwd door de giftige aard van lood, onderzoekers ertoe aanzetten om veiligere thermo-elektrische halfgeleiders te onderzoeken.

Tintelluride (SnTe) zou een alternatief kunnen zijn. Maar het presteert lang niet zo goed als PbTe, en verschillende methoden om de thermo-elektrische prestaties te verbeteren worden actief bestudeerd. Er zijn twee hoofdproblemen met SnTe die het cijfer van verdienste (ZT) verlagen:de hoge thermische geleidbaarheid en de lage Seebeck-coëfficiënt, die bepaalt hoe groot de opgewekte thermo-elektrische spanning is als functie van de temperatuur. Hoewel onderzoekers erin geslaagd zijn om deze parameters afzonderlijk te verbeteren, het is in het geval van SnTe moeilijk gebleken om dit voor beide tegelijk te doen.

In een recente studie gepubliceerd in Tijdschrift voor chemische technologie , een paar wetenschappers van de Chung-Ang University, Korea - dr. Jooheon Kim en Hyun Ju bedachten een effectieve strategie om dit probleem op te lossen. Hun aanpak is gebaseerd op nanostructurering:het produceren van een materiaal met de gewenste structurele eigenschappen op nanometerschaal. In dit specifieke geval, de wetenschappers produceerden poreuze SnTe-nanosheets. Echter, nanosheets maken van SnTe is opmerkelijk complex met behulp van standaardprocedures, wat de wetenschappers ertoe bracht een innovatieve synthesestrategie te bedenken.

Ze maakten gebruik van een andere halfgeleider:tinselenide (SnSe). Dit materiaal heeft een gelaagde structuur die relatief gemakkelijk te exfoliëren is om SnSe-nanosheets te produceren. De onderzoekers dompelden deze nanosheets onder in een oplossing van wijnsteenzuur (C ₄ H ₆ O ₆ ) en pure Te onder een stikstofatmosfeer om oxidatie te voorkomen. Wat C ₄ H ₆ O ₆ doet is het extraheren van Sn-Se-paren uit de SnSe-nanobladen, waardoor de opgeloste Te ^- s om op natuurlijke wijze de Se . te vervangen ^- anion in de geëxtraheerde paren. Vervolgens, de Sn-Te-paren voegen zich op een enigszins 'imperfecte' manier weer bij de originele nanosheet, het creëren van poriën en korrelgrenzen in het materiaal. Het resultaat van dit hele proces zijn door anionen uitgewisselde poreuze SnTe-nanosheets.

De wetenschappers onderzochten de reactiemechanismen die deze SnTe-nanobladen mogelijk maakten en zochten zorgvuldig naar de syntheseomstandigheden die de optimale morfologie op nanoschaal produceerden. "We ontdekten dat de nanostructuur van de optimale anion-uitgewisselde poreuze SnTe nanosheets, samengesteld uit nanodeeltjes van slechts 3 nm groot met defecte vormen, leidde tot een aanzienlijke vermindering van de thermische geleidbaarheid en een hogere Seebeck-coëfficiënt in vergelijking met conventionele bulk SnTe, " merkt Kim op. "Dit is een direct gevolg van de geïntroduceerde nano-interfaces, poriën, en gebreken, die helpen om anders uniforme trillingen in SnTe, bekend als fononen, te 'verdrijven', die de thermo-elektrische eigenschappen in gevaar brengen, " voegt hij eraan toe. De ZT van de best presterende SnTe-nanosheets was 1,1 bij een temperatuur van 650 ° C; dat is bijna drie keer hoger dan die van bulk-SnTe.

De algemene resultaten van de studie zijn veelbelovend op het gebied van hoogwaardige thermo-elektrische materialen, die ongetwijfeld toepassingen zal vinden, niet alleen in de energieopwekking, maar ook koeling, airconditioning, vervoer, en zelfs biomedische apparaten. Even belangrijk, echter, is het inzicht dat wordt verkregen door het verkennen van een nieuwe synthesestrategie, zoals Kim uitlegt:"De onconventionele methode die we hebben gebruikt om poreuze SnTe-nanobladen te verkrijgen, kan relevant zijn voor andere thermo-elektrische halfgeleiders, evenals in de fabricage en het onderzoek van poreuze en nanogestructureerde materialen voor andere doeleinden."

Het belangrijkste is, waarbij het oogsten van thermische energie de meest gewilde toepassing van thermo-elektrische materialen is, deze studie zou kunnen helpen om industriële processen efficiënter te maken. Thermo-elektrische halfgeleiders laten ons profiteren van de grote hoeveelheden afvalwarmte die dagelijks worden geproduceerd en nuttige elektrische energie opleveren, en verder onderzoek op dit gebied zal hopelijk de weg banen naar een milieuvriendelijkere samenleving.