Aprovechando los avances recientes en el uso de cálculos teóricos para predecir las propiedades de nuevos materiales, los investigadores informaron el jueves del descubrimiento de una nueva clase de compuestos termoeléctricos de medio Heusler, incluido uno con una alta cifra récord de mérito, una medida utilizada paradeterminar qué tan eficientemente un material termoeléctrico puede convertir el calor en electricidad.
"Mantuvo la alta cifra de mérito a todas las temperaturas, por lo que podría ser importante en aplicaciones en el futuro", dijo el físico Zhifeng Ren, director del Centro de Superconductividad de Texas en la Universidad de Houston TcSUH y autor correspondienteen un documento que informa el trabajo, publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
Los materiales termoeléctricos han generado un creciente interés en la comunidad investigadora como una fuente potencial de energía "limpia", producida cuando el material convierte el calor, a menudo el calor residual generado por las centrales eléctricas u otros procesos industriales, en electricidad.
Se han descubierto varios materiales prometedores, aunque la mayoría no ha podido cumplir con todos los requisitos para aplicaciones comerciales generalizadas. Los investigadores dijeron que su descubrimiento de compuestos de medio Heusler compuestos de tantalio, hierro y antimonio arrojó resultados que son "bastanteprometedor para la generación de energía termoeléctrica "
Los investigadores midieron la eficiencia de conversión de un compuesto en 11.4 por ciento, lo que significa que el material produjo 11.4 vatios de electricidad por cada 100 vatios de calor que absorbió. Los cálculos teóricos sugieren que la eficiencia podría alcanzar el 14 por ciento, dijo Ren, quien tambiénMD Anderson, catedrático de física de la UH, señaló que muchos dispositivos termoeléctricos tendrán aplicaciones prácticas con una eficiencia de conversión del 10 por ciento.
En total, los investigadores predijeron seis compuestos previamente no reportados y sintetizaron con éxito uno, que entregó un alto rendimiento sin el uso de elementos caros.
"Hemos descubierto 6 compuestos indocumentados y 5 de ellos son estables con la estructura cristalina de medio Heusler", escribieron. "El medio Heusler basado en TaFeSb tipo p, uno de los compuestos descubiertos en este trabajo, demostró unarendimiento termoeléctrico muy prometedor "
Además de Ren y los miembros de su laboratorio, el trabajo involucró a investigadores adicionales en UH; la Universidad de Missouri; el Instituto de Tecnología de Massachusetts; Laboratorio Nacional de Beijing para Física de la Materia Condensada en la Academia de Ciencias de China; Universidad del Suroeste en Chongqing,China; el Instituto de Materiales Metálicos en Dresden, Alemania; la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China; y la Universidad de Shanghai.
Confiando en cálculos teóricos para predecir los compuestos que se espera que tengan un alto rendimiento termoeléctrico permitió a los investigadores concentrarse en los compuestos más prometedores. Pero en realidad crear materiales compuestos de tantalio, hierro y antimonio, un esfuerzo liderado por investigadores posdoctorales de UH y primerolos autores Hangtian Zhu y Jun Mao demostraron ser complejos, en parte porque los componentes tienen propiedades físicas tan dispares.
El tantalio, por ejemplo, tiene un punto de fusión por encima de los 3.000 grados centígrados, mientras que el punto de fusión del antimonio es de 630 grados centígrados. El tantalio es duro, mientras que el antimonio es relativamente blando, lo que hace que la fusión por arco, un método común para combinar materiales, sea másdifícil. Pudieron hacer el compuesto usando una combinación de molienda de bolas y prensado en caliente.
Una vez que se formó el compuesto, los investigadores dijeron que ofrecía tanto las propiedades físicas necesarias como las propiedades mecánicas que garantizarían la integridad estructural. Ren dijo que los elementos utilizados son relativamente disponibles y económicos, lo que hace que el compuesto sea rentable.
Además de las propiedades del propio compuesto, los investigadores dijeron que sus resultados ofrecen un fuerte respaldo para una mayor dependencia de los métodos computacionales para dirigir los esfuerzos experimentales.
"Cabe señalar que la síntesis experimental y la evaluación cuidadosas de un compuesto son costosas, mientras que la mayoría de los cálculos teóricos, especialmente cuando se aplican en modos de alto rendimiento, son relativamente económicos", escribieron. "Como tal, podría ser beneficioso usarestudios teóricos más sofisticados en la predicción de compuestos antes de dedicar los esfuerzos para un estudio experimental cuidadoso ".
Además de Ren, Zhu y Mao, los coautores del artículo incluyen Qing Zhu, Zihang Liu, Tian Tong y Jiming Bao, todos con UH; Yuwei Li, Jifeng Sun, Yuhao Fu y David J. Singh con la Universidadde Missouri; Yumei Wang con el Laboratorio Nacional de Física de la Materia Condensada de Beijing en la Academia de Ciencias de China; Guannan Li con la Universidad Southwest en Chongqing, China; Qichen Song, Jiawei Zhou y Gang Chen con MIT; Ran He, Andre Sotnikov y Kornelius Nielschcon el Instituto de Materiales Metálicos en Dresden, Alemania; Wuyang Ren y Zhiming Wang de la Universidad de Ciencia y Tecnología Electrónica de China; Li You y Jun Luo de la Universidad de Shanghai.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Houston . Original escrito por Jeannie Kever. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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