Les nanoparticules d’argent libèrent l’énergie thermoélectrique

Newswise – HOUSTON – Plusieurs matériaux thermoélectriques à haute performance ont été découverts au cours des deux dernières décennies, mais sans dispositifs efficaces pour convertir l’énergie qu’ils produisent en énergie sans émission, leur promesse n’a pas été tenue. Maintenant, une équipe internationale de scientifiques dirigée par un physicien de l’Université de Houston et plusieurs de ses anciens étudiants a rapporté une nouvelle approche pour construire les modules thermoélectriques, en utilisant des nanoparticules d’argent pour connecter les couches d’électrode et de métallisation des modules.

Les travaux, décrits dans un article publié le 1er mai dans Énergie naturelle, devrait accélérer le développement de modules avancés pour la production d’électricité et d’autres utilisations. L’utilisation de nanoparticules d’argent a été testée pour la stabilité dans des modules constitués de trois matériaux thermoélectriques de pointe différents, conçus pour fonctionner sur une large plage de températures.

Les matériaux thermoélectriques suscitent un intérêt croissant en raison de leur potentiel en tant que source d’énergie propre, produite lorsque le matériau convertit la chaleur – telle que la chaleur résiduelle générée par les centrales électriques ou d’autres processus industriels – en électricité en exploitant le flux de courant thermique d’une zone plus chaude. vers une zone plus fraîche. Mais tirer parti de cette capacité nécessite de trouver un matériau capable de connecter les côtés chaud et froid du matériau à la fois électriquement et thermiquement, sans interférer avec les performances du matériau.

Le matériau conjonctif, ou soudure, est fondu pour créer une interface entre les deux côtés. Cela signifie que la soudure doit avoir un point de fusion supérieur à la température de fonctionnement de l’appareil afin de rester stable pendant que l’appareil fonctionne, a déclaré Zhifeng Ren, directeur du Texas Center for Superconductivity à UH et auteur correspondant sur le papier. Si le matériau thermoélectrique fonctionne à des températures plus élevées, la couche conjonctive fondra à nouveau.

Mais cela peut également être un problème si le matériau de connexion a un point de fusion trop élevé, car des températures élevées peuvent affecter la stabilité et les performances des matériaux thermoélectriques pendant le processus de connexion. Le matériau de liaison idéal aurait alors à la fois un point de fusion relativement bas pour l’assemblage du module, afin de ne pas déstabiliser les matériaux thermoélectriques, mais pourrait alors supporter des températures de fonctionnement élevées sans refondre.

L’argent possède des propriétés intéressantes pour un tel matériau conjonctif, avec une conductivité thermique élevée et une conductivité électrique élevée. Mais il a également un point de fusion relativement élevé, à 962 degrés centigrades, ce qui peut affecter la stabilité de nombreux matériaux thermoélectriques. Pour ce travail, les chercheurs ont profité du fait que les nanoparticules d’argent ont un point de fusion beaucoup plus bas que l’argent en vrac. Les nanoparticules sont revenues à l’état brut après l’assemblage du module, retrouvant le point de fusion le plus élevé pour les opérations.

“Si vous transformez de l’argent en nanoparticules, le point de fusion pourrait être aussi bas que 400 degrés ou 500 degrés C, selon la taille des particules. Cela signifie que vous pouvez utiliser l’appareil à 600 C ou 700 C sans problème, tant que la température de fonctionnement reste inférieure au point de fusion de l’argent en vrac, ou 962 C », a déclaré Ren, qui est également professeur de physique MD Anderson à l’UH. . Il a travaillé sur le projet avec cinq anciens étudiants et chercheurs post-doctoraux du groupe de recherche Ren ; ils sont maintenant à l’Institut de technologie de Harbin à Shenzhen, en Chine, et au Laboratoire national de physique de la matière condensée de Pékin à l’Académie chinoise des sciences à Pékin.

Les chercheurs ont testé les nanoparticules d’argent avec trois matériaux thermoélectriques bien connus, chacun fonctionnant à une température différente.

Un module à base de tellure de plomb, qui fonctionne à une basse température d’environ 573 Kelvin jusqu’à environ 823 K (300 C à 550 C) a produit un rendement de conversion chaleur-électricité d’environ 11% et est resté stable après 50 cycles thermiques, selon les chercheurs.

Ils ont également utilisé les nanoparticules d’argent comme matériau de connexion dans des modules utilisant du tellurure de bismuth à basse température et un matériau à haute température demi-Heusler, indiquant que le concept fonctionnerait pour une variété de matériaux thermoélectriques et à des fins.

Différents matériaux sont utilisés en fonction de la source de chaleur prévue, a déclaré Ren, pour s’assurer que les matériaux peuvent résister à la chaleur appliquée. “Mais cet article prouve que quel que soit le matériau, nous pouvons utiliser les mêmes nanoparticules d’argent pour la soudure tant que la chaleur appliquée ne dépasse pas 960 degrés C”, afin de rester en dessous du point de fusion de l’argent en vrac, a-t-il déclaré.

En plus de Ren, les co-auteurs de l’article incluent Li Yin, Fan Yang, Xin Bao, Zhipeng Du, Xinyu Wang, Jinxuan Cheng, Hongjun Ji, Jiehe Sui, Xingjun Liu, Feng Cao, Jun Mao, Mingyu Li et Qian Zhang. , tous avec l’Institut de technologie de Harbin ; Wenhua Xue avec l’Institut de technologie de Harbin et le Laboratoire national de physique de la matière condensée de Pékin ; et Yumei Wang avec le Laboratoire national de physique de la matière condensée de Pékin.

Jiehe Sui, Feng Cao, Jun Mao, Qian Zhang et Yumei Wang sont tous d’anciens membres du groupe de recherche Ren.