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Perovskiti inverse: verso materiali termoelettrici ecocompatibili

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Perovskiti inverse: verso materiali termoelettrici ecocompatibili

Una recente ricerca ha aperto nuove prospettive per i tecnici del settore fotovoltaico. Gli inversi-perovskiti Ba3BO (dove B = Si e Ge) hanno dimostrato prestazioni eccezionali come materiali termoelettrici ecocompatibili, offrendo una bassa conducibilità termica del reticolo e una notevole efficienza nella conversione energetica.

Nel campo dei materiali termoelettrici (TEMs), un recente studio (articolo in inglese) condotto dal Tokyo Institute of Technology ha segnato un punto di svolta. I ricercatori hanno sviluppato nuovi TEMs basati su perovskiti inverse, Ba3BO, dove B rappresenta il silicio (Si) e il germanio (Ge). Questa innovazione promette di superare le limitazioni tipiche dei TEMs, quali l’insufficiente efficienza nella conversione energetica e la tossicità ambientale dovuta agli elementi pesanti.

La ricerca ha evidenziato che, a differenza delle perovskiti tradizionali come SrTiO3, le perovskiti inverse Ba3BO presentano una struttura cristallina dove i siti degli anioni e dei cationi sono invertiti. Questa configurazione risulta in una notevole riduzione della conducibilità termica (κ), aspetto cruciale per l’efficienza dei TEMs.

L’efficienza nella conversione energetica dei TEMs si misura attraverso una grandezza adimensionale nota come ZT, che dipende dal prodotto tra il fattore di potenza (PF) e l’inverso della conducibilità termica (κ). Materiali termoelettrici ad alte prestazioni presentano un elevato ZT, conseguibile attraverso una bassa κ e un alto PF. Tradizionalmente, i TEMs a base di calcogenuri di metalli pesanti, come Bi2Te3 e PbTe, soddisfacevano questi criteri ma erano limitati dalla loro tossicità ambientale e per gli organismi viventi.

I nuovi TEMs a base di perovskite inversa Ba3BO, tuttavia, offrono un’alternativa ecocompatibile con proprietà termoelettriche superiori rispetto ai TEMs ecologici convenzionali. I cristalli di Ba3BO sintetizzati possiedono una conducibilità termica estremamente bassa, da 1.0 a 0.4 W/mK a temperature comprese tra 300 e 600 K, inferiore a quella dei bulks di Bi2Te3 e PbTe. Di conseguenza, questi bulks esibiscono un ZT notevolmente elevato, da 0.16 a 0.84 a temperature tra 300 e 623 K.

Il team di ricerca ha anche eseguito calcoli teorici che prevedono un massimo ZT potenziale di 2.14 per Ba3SiO e 1.21 per Ba3GeO a 600 K ottimizzando la concentrazione di buche. Questi valori massimi di ZT per i TEMs non tossici sono molto più elevati di quelli di altri TEMs ecologici e comparabili a quelli dei TEMs a base di elementi pesanti tossici nella stessa gamma di temperature.

Oltre ai risultati sperimentali promettenti, il team ha chiarito che l’alto ZT di Ba3BO non è dovuto solo alla sua bassa κ, ma anche al suo alto PF. In Ba3BO, l’ione B, che di solito si comporta come un catione positivamente carico, agisce invece come un anione negativamente carico, responsabile del trasporto di portatori di carica, ottenendo un alto PF.

In sintesi, lo studio conferma il potenziale di Ba3BO come alternativa performante ed ecologica ai TEMs convenzionali basati su elementi pesanti tossici. I risultati stabiliscono le perovskiti inverse come una scelta promettente per lo sviluppo di TEMs ecocompatibili all’avanguardia. Il Dr. Katase, a capo della ricerca, sottolinea: “Crediamo che la nostra unica prospettiva nella progettazione di materiali ad alto ZT senza l’uso di elementi tossici avrà un forte impatto non solo sulla comunità scientifica di scienze dei materiali e chimica, ma anche tra gli innovatori che cercano di espandere l’orizzonte delle applicazioni dei materiali termoelettrici oltre i laboratori, nella nostra vita quotidiana”.

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