Nanoestructuras que mejoran la conversión energética
Europa se ve cada vez más amenazada por el grave impacto ambiental de la quema de combustibles fósiles. Los nanomateriales y dispositivos termoeléctricos de alta eficiencia son pequeños, baratos, ligeros, silenciosos y no contaminantes, por lo que se espera que proporcionen una tecnología energética limpia. El problema fundamental en la creación de materiales termoeléctricos eficientes es que tienen que ser muy buenos conduciendo la electricidad, pero no el calor. La eficiencia de conversión del calor residual en los sistemas termoeléctricos se rige por su factor de mérito (ZT). Este número representa la relación entre la conductividad eléctrica y la potencia termoeléctrica en el numerador y la conductividad térmica en el denominador. El proyecto «Spark plasma sintering nanostructured thermoelectrics» (SPARKNANOTE), financiado con fondos europeos, trató de crear defectos y más límites de grano para disminuir la conductividad térmica reticular y mejorar la eficiencia de la potencia termoeléctrica. De este modo, el proyecto identificó composiciones optimizadas prometedoras, controló la morfología y el tamaño de los granos y sinterizó polvos. Los científicos obtuvieron teluro de bismuto y triantimoniuro de cobalto dopados moliendo diversos materiales metálicos y después volviendo a unirlos en muestras a granel mediante sinterización por descarga de plasma (SPS). El equipo descubrió dos elementos dopantes para el CoSb3 que dieron como resultados valores de ZT elevados. Combinando polvo denso nanoestructurado mediante SPS y un proceso de forja en caliente de dos pasos, se consiguió fabricar aleaciones con base de bismuto tipo p nanoestructurado y jerárquico con la orientación preferida. Se descubrió que la potencia termoeléctrica en la dirección perpendicular a la fuerza de presión era mucho mayor que la del material sinterizado con un proceso de una etapa. El segundo paso de forjado en caliente mediante SPS indujo modificaciones en la interfase y defectos cristalinos que produjeron valores de ZT superiores. Los científicos lograron esto mediante una dispersión de fonones más eficiente, lo que es importante para reducir la conductividad térmica. Como resultado, se obtuvo una mejora del 50 % en el valor ZT para las aleaciones nanoestructuradas. El equipo también introdujo límites de granos gemelos nanométricos en los materiales y luego los sinterizó mediante SPS, obteniendo el máximo valor para ZT. Se espera contar con materiales que permitan convertir una cantidad significativa de calor residual en electricidad útil, lo que podría dar lugar a una adopción más amplia de los sistemas termoeléctricos en la industria.
Palabras clave
Termoeléctrico, teluro de bismuto, triantimoniuro de cobalto, nanomateriales, ZT, sinterización por descarga de plasma
