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Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 10045 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Compostos altamente cristalinos à base de Bi2Te3 com tamanho de grão pequeno foram sintetizados com sucesso pelo método de flash sintering (FS) em 10 s à temperatura ambiente sob densidade de corrente adequada usando pós de Bi, Te e Se. O calor Joule local gerado instantaneamente no contorno de grão é considerado a principal razão para a rápida conclusão da reação química e cristalização. Combinando o método de síntese FS com sinterização por plasma de faísca (SPS), materiais a granel à base de Bi2Te3 com alta densidade relativa foram fabricados em 10 min. Prolongar adequadamente a temperatura de sinterização e o tempo de espera no processo SPS pode diminuir a concentração de portadores e a condutividade térmica do fônon, ao mesmo tempo em que aumenta a mobilidade dos portadores. Assim, a amostra preparada a 753 K por 3 min apresenta valor de ZT 20% maior do que a amostra preparada a 723 K por 3 min. Comparado com os métodos de fusão de zona comum ou metalurgia do pó que levam várias horas por operação complexa, esse método economiza tempo e é de baixo custo.

Com a crise energética e ambiental cada vez mais grave, explorar recursos de energia limpa e tecnologias de conversão de energia verde torna-se urgente e obrigatório para os pesquisadores em áreas afins1. O material termoelétrico é um tipo de material funcional que pode realizar a conversão direta entre calor e eletricidade por efeito Seebeck e efeito Peltier2. Devido ao seu modo de operação de estado sólido puro, alta estabilidade e longa vida útil, a tecnologia termoelétrica oferece oportunidades para colher eletricidade útil do calor residual ou para realizar refrigeração in situ3,4,5. O desempenho de conversão de material termoelétrico é geralmente avaliado pela figura adimensional de mérito ZT, que pode ser expressa como ZT = S2σT/κ, onde S é o coeficiente de Seebeck, σ é a condutividade elétrica, κ é a condutividade térmica (incluindo condutividade κe, condutividade térmica de rede κl e condutividade térmica bipolar κb) e T é a temperatura absoluta6. Portanto, alta condutividade elétrica, grande coeficiente de Seebeck e baixa condutividade térmica devem ser considerados simultaneamente para um material termoelétrico ideal7. O telureto de bismuto (Bi2Te3) é um tipo de material semicondutor de gap estreito, que possui condutividade elétrica relativamente alta, grande coeficiente de Seebeck e baixa condutividade térmica entre 300–500 K8. Até agora, telureto de bismuto e suas ligas com telureto de antimônio ou seleneto de bismuto têm sido os sistemas de materiais termoelétricos mais maduros para serem usados ​​próximo à temperatura ambiente9,10. Alguns dispositivos e módulos termoelétricos comerciais para geração de energia e resfriamento em estado sólido nessa faixa de temperatura foram desenvolvidos com sucesso à base de telureto de bismuto e suas ligas11.

Hoje em dia, os materiais termoelétricos comerciais à base de telureto de bismuto são geralmente produzidos pelo método de fusão por zona (ZM). Embora a técnica ZM seja conveniente, seu processo de fabricação é bastante demorado e consome muita energia12. O recozimento prolongado em alta temperatura também pode levar ao desvio da composição, deteriorando assim o desempenho termoelétrico. Além disso, os produtos fabricados são altamente orientados e podem quebrar facilmente ao longo do plano basal, resultando em propriedades mecânicas ruins e limitando o uso a longo prazo13. Portanto, técnicas de metalurgia do pó combinadas com técnicas avançadas de sinterização foram exploradas extensivamente nos últimos anos para fabricar materiais termoelétricos à base de telureto de bismuto policristalino com altas propriedades mecânicas e termoelétricas. Por exemplo, moagem de bolas de alta energia, fiação por fusão e vários métodos químicos úmidos foram desenvolvidos com sucesso para sintetizar compostos à base de Bi2Te3 com tamanho de grão pequeno e microestrutura modulada14,15,16,17. Ao combinar esses métodos de síntese com técnicas de prensagem a quente (HP) ou sinterização por plasma de faísca (SPS), propriedades mecânicas relativamente robustas e alto desempenho termoelétrico foram alcançados simultaneamente em materiais a granel à base de telureto de bismuto. No entanto, esses métodos de síntese ainda são demorados e intensivos em energia, e os produtos podem ser oxidados ou poluídos por meio e impurezas orgânicas no processo sintético, resultando em desempenho termoelétrico deteriorado18. Portanto, é de grande interesse desenvolver novos métodos de fabricação de materiais termoelétricos à base de telureto de bismuto policristalino de alto desempenho com baixo custo, alta eficiência e processo artesanal simples.