Concevoir des matériaux thermoélectriques plus performants
Publié par Adrien le 10/10/2019 à 08:00
Source: CNRS INC
Au coeur des générateurs thermoélectriques, des matériaux semi-conducteurs sont intensivement étudiés pour accroître les performances de ces dispositifs qui génèrent de l'électricité à partir de chaleur. Des chimistes du Laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) (CRISMAT/ CNRS/Université Caen Normandie/Ensicaen) ont synthétisé un nouveau matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) sulfure (En chimie, un sulfure est un composé chimique ou la combinaison de soufre avec un degré d'oxydation de -2, avec un autre élément chimique ou un de ses radicaux. Certains composés covalents du...) d'origine minérale présentant des propriétés thermoélectriques remarquables. Ces travaux, menés en collaboration avec l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) des sciences chimiques de Rennes (ISCR/CNRS/Université Rennes1/ENSCR/INSA Rennes), l'institut Néel, l'université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Central Michigan (USA) et l'université de Kyushu (Japon), ont été publiés dans les revues Advanced Energy Materials et Angewandte Chemie.

La génération d'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie...) à partir de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) dissipée au moyen de modules thermoélectriques (effet Seebeck) représente une voie particulièrement prometteuse de production d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) "verte". Cette technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) présente des avantages indéniables en matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) de fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.), de maintenance, d'absence de vibrations, qui la rendent attractive pour des utilisations dans les domaines automobile (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes...), aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère terrestre.), de l'industrie ou du bâtiment. Pour accroître les rendements des dispositifs (aujourd'hui en deçà des 10 %), les scientifiques s'attachent à concevoir de nouveaux matériaux plus efficaces. Le défi est de synthétiser un matériau dans lequel les propriétés électriques et thermiques sont découplées. En bref, comment élaborer un conducteur électrique qui conduit très peu la chaleur ?

Grâce à leurs structures cristallographiques complexes, certains sulfures de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces...) d'origine minérale comme la colusite associent une conductivité électrique (La conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant...) élevée et une faible conductivité thermique (La conductivité thermique est une grandeur physique caractérisant le comportement des matériaux lors du transfert de chaleur par conduction. Cette constante apparaît par exemple dans la loi de Fourier (voir...). En jouant sur la formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant différentes matières premières (on...) du matériau, les chimistes du CRISMAT ont réussi à synthétiser un nouveau composé dérivé de la colusite. La présence de chrome (Le chrome est un élément chimique de symbole Cr et de numéro atomique 24.) dans la structure influe sur le réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) conducteur Cu-S et a permis d'atteindre un "facteur de puissance (Le facteur de puissance est une caractéristique d'un récepteur électrique.)" record parmi les matériaux sulfures. Ces résultats offrent de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux sulfures thermoélectriques.

Références

Ventrapati Pavan Kumar, Andrew R. Supka, Pierric Lemoine, Oleg I. Lebedev, Bernard Raveau, Koichiro Suekuni, Vivian Nassif, Rabih Al Rahal Al Orabi, Marco Fornari, Emmanuel Guilmeau.
High Power Factors of Thermoelectric Colusites Cu26T2Ge6S32 (T = Cr, Mo, W): Toward Functionalization of the Conductive “Cu-S” Network
Advanced Energy Materials -Février 2019
DOI:10.1002/aenm.201803249

Ventrapati Pavan Kumar, Gabin Guélou, Pierric Lemoine, Bernard Raveau, Andrew R. Supka, Rabih Al Rahal Al Orabi, Marco Fornari, Koichiro Suekuni, Emmanuel Guilmeau.
Copper-rich thermoelectric sulfides: size mismatch effect and chemical disorder in the [TS4]Cu6 complexes of Cu26T2Ge6S32 (T = Cr,Mo,W) colusites
Angewandte Chemie International Edition -Octobre 2019
DOI:10.1002/ange.201908579
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