Découverte d'un matériau thermoélectrique efficace, stable et respectueux de l'environnement
La chaleur résiduelle est une source très prometteuse de conservation et de réutilisation de l'énergie, grâce à la conversion de cette chaleur en électricité - un processus appelé conversion thermoélectrique. Les dispositifs de conversion thermoélectrique disponibles dans le commerce sont synthétisés à l'aide de métaux rares. Bien qu'ils soient assez efficaces, ils sont coûteux et, dans la majorité des cas, utilisent des matériaux toxiques. Ces deux facteurs ont fait que ces convertisseurs sont d'un usage limité. Les matériaux thermoélectriques à base d'oxyde constituent l'une des alternatives, mais le principal inconvénient dont ils souffrent est le manque de preuves de leur stabilité à haute température.
La structure cristalline du film d'oxyde de baryum et de cobalt (à gauche ; Xi Zhang, Yuqiao Zhang, et al. ACS Applied Materials & Interfaces. 12 juillet 2022), et le film d'oxyde métallique lui-même (à droite ; Photo : Hiromichi Ohta).
Xi Zhang, Yuqiao Zhang, et al. ACS Applied Materials & Interfaces. July 12, 2022; Hiromichi Ohta
Une équipe dirigée par le professeur Hiromichi Ohta de l'Institut de recherche en sciences électroniques de l'université d'Hokkaido a synthétisé un convertisseur thermoélectrique à base d'oxyde de baryum et de cobalt qui est stable et efficace de manière reproductible à des températures aussi élevées que 600°C. Leurs résultats ont été publiés dans la revue ACS Applied Materials & Interfaces.
La conversion thermoélectrique est alimentée par l'effet Seebeck : lorsqu'il y a une différence de température à travers un matériau conducteur, un courant électrique est généré. Cependant, l'efficacité de la conversion thermoélectrique dépend d'un chiffre appelé le facteur de mérite thermoélectrique ZT. Historiquement, les convertisseurs à base d'oxyde avaient un faible ZT, mais des recherches récentes ont révélé de nombreux candidats qui ont un ZT élevé, mais leur stabilité à haute température n'était pas bien documentée.
Le groupe d'Hiromichi Ohta travaille sur des films d'oxyde de cobalt en couches depuis plus de deux décennies. Dans cette étude, l'équipe a cherché à examiner la stabilité thermique et chimique de ces films, ainsi qu'à mesurer leurs valeurs ZT, à haute température. Ils ont testé des films d'oxyde de cobalt recouverts de sodium, de calcium, de strontium ou de baryum, en analysant leur structure, leur résistivité et leur conductivité thermique.
Ils ont constaté que, parmi les quatre variantes, le film d'oxyde de cobalt recouvert de baryum conservait sa stabilité en termes d'intégrité structurelle et de résistivité électrique à des températures aussi élevées que 600°C. En comparaison, les films d'oxyde de cobalt de sodium et de calcium n'étaient stables que jusqu'à 350°C, et le film d'oxyde de cobalt de strontium était stable jusqu'à 450°C. Le ZT du film d'oxyde de baryum et de cobalt augmentait avec la température, atteignant ~0,55 à 600°C, comparable à certains convertisseurs thermoélectriques disponibles dans le commerce.
" Notre étude a montré que les films d'oxyde de baryum et de cobalt seraient d'excellents candidats pour les dispositifs de conversion thermoélectrique à haute température ", a déclaré Hiromichi Ohta. " De plus, ils sont respectueux de l'environnement, ce qui leur confère un potentiel de déploiement à grande échelle. "
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