Se descubre un material termoeléctrico eficiente, estable y ecológico
El calor residual es una fuente muy prometedora de conservación y reutilización de la energía, mediante la conversión de este calor en electricidad, un proceso llamado conversión termoeléctrica. Los dispositivos de conversión termoeléctrica disponibles en el mercado se sintetizan utilizando metales raros. Aunque son bastante eficaces, son caros y, en la mayoría de los casos, utilizan materiales tóxicos. Ambos factores han hecho que estos convertidores tengan un uso limitado. Una de las alternativas son los materiales termoeléctricos basados en óxidos, pero el principal inconveniente que presentan es la falta de pruebas de su estabilidad a altas temperaturas.
La estructura cristalina de la película de óxido de cobalto y bario (izquierda; Xi Zhang, Yuqiao Zhang, et al. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 de julio de 2022), y la propia película de óxido metálico (derecha; Foto: Hiromichi Ohta).
Xi Zhang, Yuqiao Zhang, et al. ACS Applied Materials & Interfaces. July 12, 2022; Hiromichi Ohta
Un equipo dirigido por el profesor Hiromichi Ohta, del Instituto de Investigación de Ciencias Electrónicas de la Universidad de Hokkaido, ha sintetizado un convertidor termoeléctrico de óxido de cobalto y bario que es reproduciblemente estable y eficiente a temperaturas de hasta 600ºC. Sus resultados se publican en la revista ACS Applied Materials & Interfaces.
La conversión termoeléctrica se basa en el efecto Seebeck: cuando hay una diferencia de temperatura en un material conductor, se genera una corriente eléctrica. Sin embargo, la eficiencia de la conversión termoeléctrica depende de una cifra denominada factor de mérito termoeléctrico ZT. Históricamente, los convertidores basados en óxidos tenían un ZT bajo, pero las investigaciones recientes han revelado muchos candidatos que tienen un ZT alto, pero su estabilidad a altas temperaturas no estaba bien documentada.
El grupo de Hiromichi Ohta lleva más de dos décadas trabajando en películas de óxido de cobalto en capas. En este estudio, el equipo pretendía examinar la estabilidad térmica y química de estas películas, así como medir sus valores ZT, a altas temperaturas. Probaron películas de óxido de cobalto con capas de sodio, calcio, estroncio o bario, analizando su estructura, resistividad y conductividad térmica.
Descubrieron que, de las cuatro variantes, la película estratificada de óxido de cobalto con bario conservaba su estabilidad en términos de integridad estructural y resistividad eléctrica a temperaturas de hasta 600°C. En comparación, las películas de óxido de cobalto de sodio y de calcio sólo eran estables hasta los 350°C, y la película de óxido de cobalto de estroncio era estable hasta los 450°C. El ZT de la película de óxido de cobalto y bario aumentó con la temperatura, alcanzando ~0,55 a 600°C, comparable a algunos convertidores termoeléctricos disponibles en el mercado.
"Nuestro estudio ha demostrado que las películas de óxido de cobalto y bario serían excelentes candidatos para los dispositivos de conversión termoeléctrica de alta temperatura", afirma Hiromichi Ohta. "Además, son respetuosas con el medio ambiente, lo que les confiere un potencial de amplia implantación".
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