Os pesquisadores descobriram que a substituição do hidrogênio pode aumentar o desempenho dos óxidos de metais de transição e limitar sua alta condutividade térmica.
Hoje, mais da metade da energia total produzida a partir de combustíveis fósseis é descartada como calor residual, o que acelera o aquecimento global. Para minimizar isso, a substituição do hidrogênio foi pioneira como uma tecnologia para gerar eletricidade ecológica a partir do calor residual.
A conversão do calor residual em formas de energia mais úteis e sustentáveis , como a eletricidade, minimizaria o consumo de combustível e reduziria a pegada de carbono do planeta.
No novo estudo, publicado na Advanced Functional Materials, a equipe do Instituto de Tecnologia de Tóquio descobriu que a substituição do hidrogênio pode combater a alta condutividade térmica dos óxidos metálicos .
Superando as limitações de uma alta condutividade térmica
Para uma conversão eficiente, um material termoelétrico deve ter uma alta eficiência de conversão (ZT). Até agora, a obtenção de um ZT alto só foi possível com o uso de elementos pesados como chumbo, bismuto e telúrio. No entanto, o uso de elementos raros, caros e ambientalmente tóxicos como esses limitou a aplicação em larga escala da conversão de energia termoelétrica.
Para superar esses problemas, os óxidos de metais de transição baseados em plataformas como SrTiO 3 surgiram como uma alternativa mais barata e benigna. No entanto, seu ZT normalmente é limitado por uma alta condutividade térmica, pois para isso a temperatura em todo o material torna-se uniforme mais rapidamente, e a menor diferença de temperatura – a força motriz por trás da conversão termoelétrica – faz com que a geração de energia elétrica também diminua.
Em seu artigo, os pesquisadores afirmam: “A substituição de hidrogênio oferece uma nova abordagem para o aprimoramento de ZT em materiais termoelétricos sem utilizar elementos pesados porque a substituição de hidrogênio não forma uma barreira de potencial de limite de grão e, portanto, suprime a dispersão de elétrons”.
Convencionalmente, espera-se que o uso de elementos leves aumente a condutividade térmica proveniente da vibração da rede, levando à adoção de elementos pesados para reduzir a vibração da rede. Em contraste, a equipe descobriu que isso poderia ser reduzido para menos da metade do seu valor original pela substituição do hidrogênio.
O processo é vital para o desenvolvimento de materiais sustentáveis de próxima geração
A equipe afirmou que o mecanismo subjacente à sua observação mostrou que a substituição de uma porção dos ânions de oxigênio por ânions de hidrogênio substituídos, produzindo compostos da forma SrTiO 3 −xHx, resulta em uma mistura que compreende uma ligação Ti-O forte e uma ligação Ti-H fraca . Por sua vez, a substituição do hidrogênio diminuiu bastante a vibração da rede, o que é essencial para a sustentabilidade.
A equipe também descobriu que os policristais SrTiO 3 −xHx exibem alta mobilidade de elétrons comparável à dos materiais de cristal único, sem qualquer deterioração na condução de elétrons através dos contornos de grão. Com base nesses dois efeitos, uma baixa condutividade térmica e uma alta saída elétrica podem coexistir, o que significa que a eficiência de conversão termoelétrica do policristal é melhorada.
No geral, essas descobertas podem abrir portas para estratégias inovadoras para o desenvolvimento de materiais termoelétricos de última geração. Além disso, mais estudos nesse campo podem levar à adoção generalizada da tecnologia de conversão termoelétrica, de modo que o calor residual possa ser convertido em formas de energia úteis e ecologicamente corretas.
O professor associado Takayoshi Katase, que liderou o estudo, concluiu: “No futuro, a abordagem de substituição de hidrogênio produziria excelentes materiais termoelétricos ambientalmente benignos que não requerem o uso de elementos pesados”.
Fonte: https://www.innovationnewsnetwork.com/hydrogen-substitution-for-eco-friendly-electricity-production/31816/
