Nano-ingeniería del material escuterudita para un alto rendimiento en los dispositivos de conversión de energía termoeléctricos

Resumen

La investigación sobre formas de optimizar los recursos energéticos, así como nuevas fuentes de energía es un tema en auge hoy en día debido a la creciente demanda de energía en nuestro mundo. En este marco aparecen los materiales termoeléctricos como una alternativa de energía limpia, capaz de reutilizar el calor residual de los procesos tradicionales de quema de combustibles, para transformarlo en electricidad, y así aumentar la eficiencia total del proceso. Aunque los materiales termoeléctricos son conocidos desde el siglo XIX, ha sido recientemente con los avances en materiales complejos y con el efecto de la nanoestructuración cuando se ha llegado a obtener eficiencias competitivas para su aplicación de forma industrial. Dentro de las diferentes temperaturas de aplicación, es en el rango intermedio (entre 225-625ºC) donde los compuestos tipo Escuterudita presentan un futuro prometedor por su relación eficiencia/precio, su estabilidad y por ser compuestos libres de plomo, elemento prohibido en materiales termoeléctricos por normativa europea. Para que un material termoeléctrico se considere óptimo para su aplicación, debe poseer un alto coeficiente Seebeck, baja resistividad eléctrica y baja conductividad térmica. Los materiales basados en la fase Escuterudita poseen un buen coeficiente Seebeck y baja resistividad eléctrica. Sin embargo, la conductividad térmica es elevada, en torno a 10 W•m-1•K-1. En la literatura se pueden encontrar varias aproximaciones para reducir el valor de la conductividad térmica. La primera es la modificación de la estructura, bien mediante introducción de átomos pesados dentro de los huecos de la estructura, generando centros dispersores de fonones a escala atómica, o mediante dopado en la estructura cristalina. La segunda aproximación es mediante la nanoestructuración y generación de defectos, creando así otros centros dispersores de fonones en el rango de la nano a la mesoescala, aumentando así su eficiencia. Mediante estas aproximaciones se ha llegado a reducir la conductividad térmica hasta valores de 2-2.5 W•m-1•K-1. En esta tesis el objetivo principal ha consistido en la síntesis y optimización de las propiedades termoeléctricas del material Escuterudita por técnicas fácilmente escalables para su posterior aplicación en la industria del automóvil. Los objetivos más importantes a la hora de optimizar el material de tipo Escuterudita y obtener altas figuras de mérito se han centrado en dos aspectos fundamentales: - Modulación y optimización de las propiedades termoeléctricas mediante la obtención in situ de composites (mezclas del material Escuterudita y óxidos) que permiten reducir la conductividad térmica gracias a una nanoestructucturación, mientras que se mantiene un alto coeficiente de Seebeck, mediante la formación de una micro/nanoestructura novedosa. - Optimización de la resistividad eléctrica mediante el dopado del material de tipo Escuterudita para obtener altas figuras de mérito.