29 abr 2023 (Noticias de Nanowerk) Cuando se queman combustibles fósiles, pero también biocombustibles, se pierde una gran cantidad de energía como calor residual. Los materiales termoeléctricos podrían convertir este calor en electricidad, pero aún no son lo suficientemente eficientes para su aplicación técnica. Un equipo del Max Planck Institut für Eisenforschung ahora ha aumentado la eficiencia de un material termoeléctrico aclarando la influencia de la microestructura en el material y optimizando las propiedades del material mediante la adición de titanio.
La química y la disposición atómica de las fases del límite de grano definen el transporte de electrones a través de los límites de grano. La fase límite de grano rica en titanio proporciona un camino conductor (izquierda) mientras que la fase límite de grano rica en hierro es resistente a los electrones (derecha). (Imagen: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) La crisis climática nos está obligando no solo a eliminar gradualmente los combustibles fósiles, sino también a ahorrar energía. Especialmente donde los combustibles fósiles aún no pueden reemplazarse tan rápidamente, al menos deben usarse de manera eficiente, por ejemplo, generando electricidad a partir del calor residual de plantas industriales o centrales eléctricas que consumen mucha energía. En la actualidad, alrededor del 17 por ciento de la energía utilizada en la industria europea se pierde como calor residual. Podría aprovecharse con la ayuda de materiales termoeléctricos. En tales termoeléctricos, se genera un voltaje eléctrico cuando se exponen a una diferencia de temperatura. Sin embargo, las termoeléctricas actuales no son lo suficientemente eficientes para ser utilizadas a gran escala industrial. Un equipo de investigación dirigido por Max Planck Institut für Eisenforschung, con sede en Düsseldorf, ha logrado optimizar una termoeléctrica, ya que los materiales se conocen en la jerga técnica y, por lo tanto, se acercan más al uso industrial. El equipo publicó sus hallazgos en la revista Materiales energéticos avanzados (“Fases de límite de grano en aleaciones de medio Heusler NbFeSb: una nueva vía para ajustar las propiedades de transporte de los materiales termoeléctricos”). El equipo estudió una aleación de niobio, hierro y antimonio que convierte el calor residual en electricidad a temperaturas que oscilan entre los 70 y más de 700 grados centígrados con una eficiencia del ocho por ciento, lo que convierte a la aleación en uno de los termoeléctricos más eficientes en la actualidad. Solo un material hecho de bismuto y telurio logra valores similares. Sin embargo, el telururo de bismuto solo es adecuado para su uso a temperaturas relativamente bajas y es mecánicamente menos estable que el termoeléctrico hecho de niobio, hierro y antimonio. Además, sus constituyentes están menos disponibles.
La química y la disposición atómica de las fases del límite de grano definen el transporte de electrones a través de los límites de grano. La fase límite de grano rica en titanio proporciona un camino conductor (izquierda) mientras que la fase límite de grano rica en hierro es resistente a los electrones (derecha). (Imagen: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) La crisis climática nos está obligando no solo a eliminar gradualmente los combustibles fósiles, sino también a ahorrar energía. Especialmente donde los combustibles fósiles aún no pueden reemplazarse tan rápidamente, al menos deben usarse de manera eficiente, por ejemplo, generando electricidad a partir del calor residual de plantas industriales o centrales eléctricas que consumen mucha energía. En la actualidad, alrededor del 17 por ciento de la energía utilizada en la industria europea se pierde como calor residual. Podría aprovecharse con la ayuda de materiales termoeléctricos. En tales termoeléctricos, se genera un voltaje eléctrico cuando se exponen a una diferencia de temperatura. Sin embargo, las termoeléctricas actuales no son lo suficientemente eficientes para ser utilizadas a gran escala industrial. Un equipo de investigación dirigido por Max Planck Institut für Eisenforschung, con sede en Düsseldorf, ha logrado optimizar una termoeléctrica, ya que los materiales se conocen en la jerga técnica y, por lo tanto, se acercan más al uso industrial. El equipo publicó sus hallazgos en la revista Materiales energéticos avanzados (“Fases de límite de grano en aleaciones de medio Heusler NbFeSb: una nueva vía para ajustar las propiedades de transporte de los materiales termoeléctricos”). El equipo estudió una aleación de niobio, hierro y antimonio que convierte el calor residual en electricidad a temperaturas que oscilan entre los 70 y más de 700 grados centígrados con una eficiencia del ocho por ciento, lo que convierte a la aleación en uno de los termoeléctricos más eficientes en la actualidad. Solo un material hecho de bismuto y telurio logra valores similares. Sin embargo, el telururo de bismuto solo es adecuado para su uso a temperaturas relativamente bajas y es mecánicamente menos estable que el termoeléctrico hecho de niobio, hierro y antimonio. Además, sus constituyentes están menos disponibles.
El titanio mejora la conductividad eléctrica
Para aumentar aún más la eficiencia de la termoeléctrica hecha de niobio, hierro y antimonio, los investigadores se centraron en su microestructura. Como la mayoría de los metales, los materiales termoeléctricos están compuestos de diminutos cristales. La composición y estructura de los granos, así como las propiedades de los espacios entre ellos, conocidos como límites de grano, son cruciales para la conductividad térmica y eléctrica de los materiales termoeléctricos. Investigaciones anteriores han demostrado que los límites de grano reducen la conductividad térmica y eléctrica del material. Para obtener la mayor eficiencia posible, la conductividad térmica debe ser lo más baja posible para que el calor, es decir, la energía, permanezca en el material. Sin embargo, la conductividad eléctrica debe ser alta para convertir la mayor cantidad posible de calor en electricidad. Por lo tanto, el objetivo del equipo del Max Planck Institut für Eisenforschung, la Universidad Northwestern (EE. no la conductividad eléctrica. “Usamos microscopios electrónicos de transmisión de barrido y sondas atómicas para estudiar la microestructura de la aleación hasta el nivel atómico”, dice Ruben Bueno Villoro, estudiante de doctorado en el Max Planck Institut für Eisenforschung. “Nuestro análisis ha demostrado que los límites de grano deben optimizarse para mejorar las propiedades eléctricas y térmicas”. “Cuanto más pequeños son los granos del material, mayor es el número de límites de granos y peor la conductividad eléctrica”, explica Siyuan Zhang, líder del proyecto en el mismo grupo de investigación. “No tiene sentido aumentar el tamaño de los granos en el material, porque los granos más grandes aumentarían la conductividad térmica y perderíamos calor y, por lo tanto, energía. Por lo tanto, tuvimos que encontrar una manera de aumentar la conductividad eléctrica a pesar de los pequeños granos”. Los investigadores resolvieron el problema enriqueciendo el material con titanio que, entre otras cosas, se acumula en los límites de los granos y aumenta la conductividad eléctrica. De esta manera, aumentaron la eficiencia termoeléctrica de la aleación hasta en un 40 por ciento. Sin embargo, para aplicaciones prácticas, la eficiencia aún debe aumentar significativamente.Siguiente paso: enriquecimiento selectivo de titanio en los límites de grano
Ahora, el equipo de investigación está analizando formas de agregar titanio de forma selectiva solo a los límites de grano sin enriquecer todo el material con titanio. Esta estrategia ahorra costos y preserva en gran medida la composición química original del material termoeléctrico. La investigación actual muestra cómo las propiedades funcionales se pueden vincular a la estructura atómica de un material para optimizar específicamente ciertas propiedades.- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
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- Fuente: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62920.php
