In een nieuwe studie hebben wetenschappers van Tokyo Tech melding gemaakt van milieuvriendelijke inverse-perovskieten met een hoge energieconversie-efficiëntie, met potentieel voor praktische toepassing als thermo-elektrische materialen (TEM's). Door de beperkingen aan te pakken waarmee TEM's doorgaans worden geconfronteerd, zoals onvoldoende energieomzettingsefficiëntie en milieutoxiciteit als gevolg van zware elementen, bieden de nieuwe TEM's een geschikt alternatief voor TEM's op basis van toxische elementen met betere thermo-elektrische eigenschappen dan conventionele, milieuvriendelijke TEM's.

Thermo-elektrische materialen (TEM's) die thermische energie kunnen omzetten in elektrische energie en vice versa zijn een essentieel onderdeel van onze wereld geworden, die betere systemen voor het oogsten van afvalenergie en koelsystemen voor elektronische gadgets nodig heeft.

De energieomzettingsefficiëntie van TEM's hangt af van een dimensieloos cijfer van verdienste (ZT), dat een product is van twee verschillende factoren:het omgekeerde van thermische geleidbaarheid (k) en de arbeidsfactor (PF).

Een krachtige TEM vertoont een hoge ZT als deze een lage k en een hoge PF bezit. In de loop der jaren hebben wetenschappers verschillende hoogwaardige TEM's op basis van zware metalen chalcogeniden ontwikkeld, zoals Bi₂ Te₃ en PbTe, die aan deze criteria voldoen. Hoewel deze materialen ideaal waren voor energieomzetting, waren ze giftig voor het milieu en de gezondheid van levende organismen. Ze bevatten giftige zware elementen, zoals lood (Pb) en tellurium (Te), wat hun praktische toepassingen beperkte.

Aan de andere kant, hoewel op oxide gebaseerde TEM's, zoals SrTiO₃ , hebben verschillende voordelen van niet-toxiciteit en overvloedige natuurlijke hulpbronnen, hun ZT is beperkt vanwege hun hoge k.

Om dit aan te pakken heeft een onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Takayoshi Katase van het Tokyo Institute of Technology efficiënte maar milieuvriendelijke TEM's zonder toxische elementen onderzocht. In hun studie gepubliceerd in Advanced Science presenteren de onderzoekers "inverse" perovskiet-gebaseerde hoge ZT TEM's met de chemische formule Ba₃ BO, waarbij B verwijst naar silicium (Si) en germanium (Ge).

"In tegenstelling tot normale perovskieten, zoals SrTiO₃ , de posities van kation- en anionplaatsen zijn omgekeerd in inverse-perovskieten Ba₃ BO. Ze bevatten dus een grote hoeveelheid van het zware element Ba, en hun kristalstructuur wordt gevormd door een zacht vlammenwerk dat bestaat uit zwakke O-Ba-bindingen. Deze kenmerken zorgen voor de lage k in inverse-perovskieten", zegt dr. Katase, terwijl hij de opvallende eigenschappen van de materialen uiteenzet.

Het onderzoeksteam heeft de gesynthetiseerde bulkpolykristallen van Ba₃ opgehelderd BO heeft een extreem lage k van 1,0–0,4 W/mK bij een T van 300–600 K, wat lager is dan die van Bi₂ Te₃ en PbTe-bulks. Als gevolg hiervan is de Ba₃ BO bulks vertonen een vrij hoge ZT van 0,16-0,84 bij T =300-623 K.

Daarnaast voerde het team theoretische berekeningen uit die een potentiële maximale ZT van 2,14 voorspelden voor Ba₃ SiO en 1,21 voor Ba₃ GeO bij T =600 K door de gatconcentratie te optimaliseren. De maximale ZT van deze niet-giftige TEM's is veel hoger dan die van andere milieuvriendelijke TEM's en vergelijkbaar met die van giftige zware elementen in hetzelfde temperatuurbereik.

Daarnaast verduidelijkte het team dat de hoge ZT van Ba₃ BO is niet alleen te danken aan zijn lage k, maar ook aan zijn hoge PF:B-ion, dat zich gewoonlijk gedraagt ​​als een positief geladen kation, maar als een negatief geladen anion in Ba₃ BO. De B-anionen zijn verantwoordelijk voor het transport van de drager, waardoor een hoge PF wordt bereikt.

Samenvattend valideert deze studie het potentieel van de nieuw ontworpen Ba₃ BO als een krachtig en milieuvriendelijk alternatief voor conventionele, op zware elementen gebaseerde TEM's.

De resultaten wijzen erop dat inverse-perovskieten een veelbelovende optie zijn voor de ontwikkeling van geavanceerde, milieuvriendelijke TEM's. In dit verband concludeert Dr. Katase:"Wij geloven dat ons unieke inzicht in het ontwerpen van materialen met een hoog ZT-gehalte zonder het gebruik van giftige elementen een sterke impact zou hebben op de materiaalwetenschap en de chemiegemeenschappen, evenals op onder vernieuwers die de horizon van thermo-elektrisch materiaal willen verbreden. toepassingen buiten laboratoria in ons dagelijks leven."

Meer informatie: Xinyi He et al., Inverse-Perovskite Ba₃ BO (B =Si en Ge) als een milieuvriendelijk thermo-elektrisch materiaal met hoge prestaties en een lage thermische geleidbaarheid, geavanceerde wetenschap (2023). DOI:10.1002/advs.202307058

Journaalinformatie: Geavanceerde wetenschap

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology