Mais energia do calor residual

29 de abril de 2023 (Notícias do Nanowerk) Quando os combustíveis fósseis, mas também os biocombustíveis, são queimados, grandes quantidades de energia são perdidas como calor residual. Os materiais termoelétricos podem converter esse calor em eletricidade, mas ainda não são eficientes o suficiente para aplicação técnica. Uma equipe do Max Planck Institut für Eisenforschung aumentou a eficiência de um material termoelétrico ao elucidar a influência da microestrutura no material e otimizar as propriedades do material adicionando titânio. A química e o arranjo atômico das fases do contorno de grão definem o transporte de elétrons através dos contornos de grão. A fase de contorno de grão rica em titânio fornece um caminho condutor (esquerda), enquanto a fase de contorno de grão rica em ferro é resistente a elétrons (direita). (Imagem: R. Bueno Villoro, Max-Planck-Institut für Eisenforschung) A crise climática está nos forçando não apenas a eliminar gradualmente os combustíveis fósseis, mas também a economizar energia. Especialmente onde os combustíveis fósseis ainda não podem ser substituídos tão rapidamente, eles devem pelo menos ser usados ​​de forma eficiente – por exemplo, gerando eletricidade a partir do calor residual de plantas industriais ou centrais elétricas com uso intensivo de energia. Atualmente, cerca de 17 por cento da energia utilizada na indústria europeia é perdida como calor residual. Poderia ser aproveitado com a ajuda de materiais termoelétricos. Nesses termoelétricos, uma tensão elétrica é gerada quando eles são expostos a uma diferença de temperatura. No entanto, as termoelétricas atuais não são eficientes o suficiente para serem usadas em larga escala industrial. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Max Planck Institut für Eisenforschung, com sede em Düsseldorf, conseguiu otimizar uma termoelétrica, já que os materiais são conhecidos no jargão técnico e, portanto, se aproximam do uso industrial. A equipe publicou suas descobertas na revista Materiais de energia avançados (“Fases de contorno de grão em ligas NbFeSb semi-Heusler: um novo caminho para ajustar as propriedades de transporte de materiais termoelétricos”). A equipe estudou uma liga de nióbio, ferro e antimônio que converte o calor residual em eletricidade a temperaturas que variam de cerca de 70 a mais de 700 graus Celsius com uma eficiência de oito por cento – tornando a liga atualmente uma das termoelétricas mais eficientes. Apenas um material feito de bismuto e telúrio atinge valores semelhantes. No entanto, o telureto de bismuto só é adequado para uso em temperaturas relativamente baixas e é mecanicamente menos estável do que o termoelétrico feito de nióbio, ferro e antimônio. Além disso, seus constituintes são menos prontamente disponíveis.

Titânio melhora a condutividade elétrica

Para aumentar ainda mais a eficiência da termoelétrica feita de nióbio, ferro e antimônio, os pesquisadores focaram em sua microestrutura. Como a maioria dos metais, os materiais termoelétricos são compostos de minúsculos cristais. A composição e estrutura dos grãos, bem como as propriedades dos espaços entre eles, conhecidos como contornos de grão, são cruciais para a condutividade térmica e elétrica dos materiais termoelétricos. Pesquisas anteriores mostraram que os limites de grão reduzem a condutividade térmica e elétrica do material. Para a maior eficiência possível, a condutividade térmica deve ser a mais baixa possível para que o calor, ou seja, a energia permaneça no material. A condutividade elétrica, no entanto, deve ser alta para converter o máximo de calor possível em eletricidade. O objetivo da equipe do Max Planck Institut für Eisenforschung, da Northwestern University (EUA) e do Leibniz Institute for Solid State and Materials Research Dresden era, portanto, otimizar os contornos de grão de tal forma que apenas a condutividade térmica fosse reduzida, mas não a condutividade elétrica. “Usamos microscópios eletrônicos de transmissão de varredura e sondas atômicas para estudar a microestrutura da liga até o nível atômico”, diz Ruben Bueno Villoro, aluno de doutorado do Max Planck Institut für Eisenforschung. “Nossa análise mostrou que os limites de grão precisam ser otimizados para melhorar as propriedades elétricas e térmicas.” “Quanto menores os grãos do material, maior o número de contornos de grão e pior a condutividade elétrica”, explica Siyuan Zhang, líder do projeto no mesmo grupo de pesquisa. “Não faz sentido aumentar o tamanho dos grãos no material, porque grãos maiores aumentariam a condutividade térmica e perderíamos calor e, portanto, energia. Portanto, tivemos que encontrar uma maneira de aumentar a condutividade elétrica, apesar dos grãos pequenos.” Os pesquisadores resolveram o problema enriquecendo o material com titânio, que, entre outras coisas, se acumula nos contornos dos grãos e aumenta a condutividade elétrica. Dessa forma, eles aumentaram a eficiência termoelétrica da liga em até 40%. Para aplicações práticas, no entanto, a eficiência ainda precisa aumentar significativamente.

Próxima etapa: enriquecimento seletivo de titânio nos contornos de grão

Agora, a equipe de pesquisa está analisando maneiras de adicionar titânio seletivamente apenas aos limites de grão, sem enriquecer todo o material com titânio. Essa estratégia economiza custos e preserva em grande parte a composição química original do material termoelétrico. A pesquisa atual mostra como as propriedades funcionais podem ser ligadas à estrutura atômica de um material para otimizar especificamente certas propriedades.

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• Fonte: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62920.php