Aujourd’hui, plus de la moitié de l’énergie totale produite à partir de combustibles fossiles est rejetée sous forme de chaleur résiduelle, ce qui accélère le réchauffement climatique. Si nous pouvions convertir la chaleur résiduelle en une forme d’énergie plus utile comme l’électricité, nous pourrions minimiser la consommation de carburant et réduire notre empreinte carbone. À cet égard, la conversion de l’énergie thermoélectrique a pris de l’ampleur en tant que technologie de production d’électricité à partir de la chaleur perdue.
Pour une conversion efficace, un matériau thermoélectrique doit avoir un rendement de conversion élevé (ZT). Jusqu’à présent, la réalisation d’un ZT élevé n’a été possible qu’avec l’utilisation d’éléments lourds comme le plomb, le bismuth et le tellure. Cependant, l’utilisation d’éléments rares, coûteux et toxiques pour l’environnement tels que ceux-ci a limité l’application à grande échelle de la conversion d’énergie thermoélectrique.
Pour résoudre ces problèmes, les oxydes de métaux de transition basés sur des plates-formes telles que SrTiO3 sont apparus comme une alternative moins coûteuse et plus bénigne. Cependant, leur ZT est généralement limité par une conductivité thermique élevée (κ), car pour un κ élevé, la température à travers le matériau devient uniforme plus rapidement, et la différence de température réduite – la force motrice de la conversion thermoélectrique – provoque la génération d’énergie électrique. à diminuer également.
Dans ce contexte, une équipe de recherche comprenant le professeur associé Takayoshi Katase de l’Institut de technologie de Tokyo (Tokyo Tech), au Japon, a récemment découvert une nouvelle approche pour réduire κ et augmenter les performances de SrTiO3 par substitution d’hydrogène.
Classiquement, l’utilisation d’éléments légers devrait augmenter le κ provenant de la vibration du réseau (κlat), conduisant à l’adoption d’éléments lourds pour réduire le κlat. En revanche, dans leur étude publiée dans Matériaux fonctionnels avancésl’équipe a découvert que le κlat de SrTiO3 pouvait être réduit à moins de la moitié de sa valeur d’origine en lui substituant un élément léger, à savoir l’hydrogène.
Ils ont précisé le mécanisme sous-jacent à leur observation à l’aide de calculs de premier principe, qui ont montré que la substitution d’une partie des anions oxygène (O−) par des anions hydrogène (H−), donnant des composés de la forme SrTiO3−xHx, conduit à un mélange comprenant un liaison Ti-O forte et une liaison Ti-H faible. Ces liaisons Ti-(O,H) réparties de manière aléatoire, à leur tour, diminuent largement κlat.
L’équipe a également découvert que les polycristaux SrTiO3−xHx présentent une mobilité électronique élevée comparable à celle des matériaux monocristallins sans aucune détérioration de la conduction électronique à travers les joints de grains. Sur la base de ces deux effets, une faible conductivité thermique ainsi qu’une puissance de sortie électrique élevée sont réalisées en même temps, ce qui se traduit par une efficacité de conversion thermoélectrique améliorée dans le polycristal SrTiO3-xHx.
Dans l’ensemble, ces découvertes peuvent ouvrir la voie à des stratégies innovantes pour développer des matériaux thermoélectriques de nouvelle génération. « À l’avenir, l’approche de substitution de l’hydrogène permettrait d’obtenir d’excellents matériaux thermoélectriques respectueux de l’environnement qui ne nécessitent pas l’utilisation d’éléments lourds », conclut le Dr Katase.
Plus d’information:
Xinyi He et al, La substitution d’anions hydrure améliore les performances thermoélectriques du SrTiO 3 polycristallin via la réalisation simultanée d’une conductivité thermique réduite et d’une conductivité électronique élevée, Matériaux fonctionnels avancés (2023). DOI : 10.1002/adfm.202213144