I en ny studie har miljövänliga invers-perovskiter med hög energiomvandlingseffektivitet rapporterats av Tokyo Tech-forskare med potential för praktisk tillämpning som termoelektriska material (TEM). De nya TEM:erna tar itu med de begränsningar som vanligtvis utsätts för TEM, såsom otillräcklig energiomvandlingseffektivitet och miljötoxicitet på grund av tunga element, och ger ett lämpligt alternativ till TEM:er baserade på giftiga element med bättre termoelektriska egenskaper än konventionella miljövänliga TEM:er.
Termoelektriska material (TEM) som kan omvandla termisk energi till elektrisk energi och vice versa har blivit en viktig del av vår värld, som behöver bättre system för skörd av avfallsenergi och kylsystem för elektroniska prylar.
Energiomvandlingseffektiviteten för TEM:er beror på en dimensionslös värdesiffra (ZT), som är en produkt av två olika faktorer:inversen av värmeledningsförmågan (k) och effektfaktorn (PF).
En högpresterande TEM uppvisar en hög ZT om den har låg k och hög PF. Under åren har forskare utvecklat flera högpresterande tungmetallkalkogenidbaserade TEM, som Bi2 Te3 och PbTe, som uppfyller dessa kriterier. Även om dessa material var idealiska för energiomvandling, var de giftiga för miljön och hälsan hos levande organismer – de innehöll giftiga tunga ämnen, såsom bly (Pb) och tellur (Te), vilket begränsade deras praktiska tillämpningar.
Å andra sidan, även om oxidbaserade TEM, såsom SrTiO3 , har flera fördelar av icke-toxicitet och rikliga naturresurser, deras ZT har begränsats på grund av deras höga k.
För att ta itu med detta utforskade ett forskarlag under ledning av docent Takayoshi Katase från Tokyo Institute of Technology effektiva men ändå miljövänliga, giftiga elementfria TEM. I deras studie publicerad i Advanced Science , presenterar forskarna "invers"-perovskit-baserade höga ZT TEMs med den kemiska formeln Ba3 BO, där B avser kisel (Si) och germanium (Ge).
"Till skillnad från vanliga perovskiter, som SrTiO3 , är positionerna för katjon- och anjonställen inverterade i invers-perovskites Ba3 BO. Så de innehåller en stor mängd av det tunga elementet, Ba, och deras kristallstruktur är bildad av en mjuk låga som består av svaga O-Ba-bindningar. Dessa egenskaper realiserar det låga k i omvänd perovskiter", säger Dr. Katase och utvecklar materialens framstående egenskaper.
Forskargruppen klargjorde de syntetiserade bulkpolykristallerna av Ba3 BO har extremt lågt k på 1,0–0,4 W/mK vid ett T på 300–600 K, vilket är lägre än för Bi2 Te3 och PbTe-bulks. Som ett resultat har Ba3 BO-bulks uppvisar ganska hög ZT på 0,16-0,84 vid T =300–623 K.
Dessutom genomförde teamet teoretiska beräkningar som förutspådde en potentiell maximal ZT på 2,14 för Ba3 SiO och 1,21 för Ba3 GeO vid T =600 K genom att optimera hålkoncentrationen. Den maximala ZT för dessa giftfria TEM:er är mycket högre än för andra miljövänliga TEM:er och jämförbar med giftiga tunga element i samma temperaturområde.
Dessutom klargjorde teamet att den höga ZT för Ba3 BO beror inte bara på dess låga k utan också på dess höga PF:B-jon, som vanligtvis beter sig som en positivt laddad katjon men som en negativt laddad anjon i Ba3 BO. B-anjonerna är ansvariga för bärartransporten, vilket uppnår hög PF.
Sammanfattningsvis validerar denna studie potentialen hos den nydesignade Ba3 BO som ett högpresterande och miljövänligt alternativ till konventionella giftiga, tunga elementbaserade TEM.
Resultaten visar att omvänd perovskiter är ett lovande alternativ för att utveckla avancerade miljövänliga TEM. I detta avseende avslutar Dr. Katase, "Vi tror att vår unika insikt i att designa material med hög ZT utan att använda giftiga element skulle ha en stark inverkan på materialvetenskap och kemigemenskaper såväl som bland innovatörer som vill utöka horisonten för termoelektriskt material tillämpningar bortom laboratorier i vår vardag."
Mer information: Xinyi He et al, Inverse‐Perovskite Ba3 BO (B =Si och Ge) som ett högpresterande miljövänligt termoelektriskt material med låg värmeledningsförmåga för gitter, Avancerad vetenskap (2023). DOI:10.1002/advs.202307058
Journalinformation: Avancerad vetenskap
Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology
