11 ژانویه 2024-© shutterstock/luchschenF
در یک مطالعه جدید، دانشمندان توکیو تک پروسکایت های معکوس سازگار محیطی با راندمان تبدیل انرژی بالا و پتانسیل کاربرد عملی به عنوان مواد ترموالکتریک را گزارش کرده اند.محدودیت‌های متعددی معمولاً برای مواد ترموالکتریک (TEM) وجود دارد، مانند راندمان ناکافی تبدیل انرژی و سمیت محیطی ناشی از عناصر سنگین.
با این حال، مواد جدید جایگزین مناسبی برای TEM های مبتنی بر عناصر سمی با خواص ترموالکتریک بهتر نسبت به TEM های دوستدار محیط زیست معمولی ارائه می کنند.
این تحقیق تحت عنوان “معکوس پروسکایت Ba3BO به عنوان یک ماده ترموالکتریک خوش خیم محیطی با عملکرد بالا با رسانایی حرارتی شبکه کم” در Advanced Science منتشر شده است.
مواد ترموالکتریک که قادر به تبدیل انرژی حرارتی به انرژی الکتریکی و بالعکس هستند، به بخشی ضروری از دنیای ما تبدیل شده‌اند که به سیستم‌های جمع‌آوری انرژی زباله و سیستم‌های خنک‌کننده بهتر ابزارهای الکترونیکی نیاز دارد.
راندمان تبدیل انرژی TEMها به یک رقم بی بعد شایستگی (ZT) بستگی دارد که حاصل دو عامل مختلف است: معکوس هدایت حرارتی (k) و ضریب توان (PF).
یک TEM با کارایی بالا در صورتی که دارای k پایین و PF بالا باشد، ZT بالایی را نشان می دهد. در طول سال‌ها، دانشمندان چندین TEM مبتنی بر کالکوژنید فلزات سنگین با کارایی بالا، مانند Bi2Te3 و PbTe توسعه دادند که این معیارها را برآورده می‌کنند.
در حالی که این مواد برای تبدیل انرژی ایده آل بودند، اما برای محیط زیست و سلامت موجودات زنده سمی بودند – آنها حاوی عناصر سنگین سمی مانند سرب (Pb) و تلوریم (Te) بودند که کاربرد عملی آنها را محدود می کرد.از سوی دیگر، اگرچه مواد ترموالکتریک مبتنی بر اکسید، مانند SrTiO3، دارای چندین مزیت غیر سمی و منابع طبیعی فراوان هستند، اما ZT آنها به دلیل k بالای آنها محدود شده است.
برای رسیدگی به این موضوع، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی دانشیار تاکایوشی کاتاسه از موسسه فناوری توکیو، مواد ترموالکتریک بدون عناصر سمی کارآمد و بی خطر زیست محیطی را بررسی کردند.
محققان TEMهای ZT بالا مبتنی بر پروسکایت معکوس را با فرمول شیمیایی Ba3BO ارائه کردند که در آن B به سیلیکون (Si) و ژرمانیوم (Ge) اشاره دارد.
دکتر Katase توضیح داد: برخلاف پروسکایت‌های معمولی مانند SrTiO3، موقعیت‌های کاتیونی و آنیونی در پروسکایت‌های معکوس Ba3BO معکوس است.
آنها حاوی مقدار زیادی عنصر سنگین Ba هستند و ساختار کریستالی آنها توسط یک شعله نرم تشکیل شده از پیوندهای ضعیف O-Ba تشکیل شده است. این ویژگی ها، k پایین را در پروسکایت های معکوس متوجه می شوند.
تیم تحقیقاتی توضیح داد که پلی کریستال های توده ای سنتز شده Ba3BO دارای k بسیار پایین 1.0-0.4 W/mK در T 300-600 K هستند که کمتر از توده های Bi2Te3 و PbTe است.
در نتیجه، انبوه Ba3BO ZT بالای 0.16-0.84 در T = 300-623 K نشان دادند.
به طور خلاصه، این مطالعه پتانسیل Ba3BO جدید طراحی شده را به عنوان یک جایگزین با کارایی بالا و سازگار با محیط زیست برای مواد ترموالکتریک مبتنی بر عناصر سنگین و سمی معمولی تأیید می کند.نتایج، پروسکایت‌های معکوس را به‌عنوان یک گزینه امیدوارکننده برای توسعه TEMهای بی‌خطر محیطی پیشرفته معرفی می‌کنند.
دکتر کاتاس نتیجه گرفت: “ما معتقدیم که بینش منحصر به فرد ما در طراحی مواد با ZT بالا بدون استفاده از عناصر سمی، تاثیر قوی بر جوامع علم مواد و شیمی و همچنین در میان مبتکرانی که به دنبال گسترش افق کاربرد مواد ترموالکتریک فراتر از آزمایشگاه‌ها هستند، زندگی روزمره خواهد داشت..”
