Pour convertir la chaleur en électricité, des matériaux facilement accessibles à partir de matières premières inoffensives ouvrent de nouvelles perspectives dans le développement de matériaux thermoélectriques sûrs et peu coûteux. Selon une étude publiée dans la revue Angewandte Chemie, les minéraux de cuivre synthétiques acquièrent des structures et des microstructures complexes par de simples changements dans leur composition, jetant ainsi les bases des propriétés souhaitées.

Le nouveau matériau synthétique est composé de cuivre, de manganèse, de germanium et de soufre, et est produit selon un processus assez simple, explique le scientifique des matériaux Emmanuel Guilmeau, chercheur CNRS au laboratoire CRISMAT, Caen, France, qui est un auteur correspondant de l’étude. . « Les poudres sont mélangées mécaniquement par broyage à billes pour former une phase précristallisée, qui est ensuite solidifiée à 600 degrés Celsius. Ce processus peut facilement être étendu », a-t-il déclaré.

Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité. Ceci est particulièrement utile dans les processus industriels où la chaleur résiduelle est réutilisée comme énergie électrique précieuse. L’approche inverse consiste à refroidir les composants électroniques, par exemple dans un smartphone ou une voiture. Les matériaux utilisés dans de telles applications doivent non seulement être efficaces, mais aussi peu coûteux et surtout sans danger pour la santé.

Cependant, les dispositifs thermoélectriques utilisés à ce jour utilisent des éléments coûteux et toxiques tels que le plomb et le tellure, qui offrent le meilleur rendement de conversion. Pour trouver une alternative plus sûre, Emmanuel Guilmeau et son équipe se sont tournés vers des dérivés minéraux sulfurés naturels à base de cuivre. Ces dérivés minéraux sont constitués principalement d’éléments non toxiques et abondants, dont certains ont des propriétés thermoélectriques.

Maintenant, l’équipe a réussi à produire une série de matériaux thermoélectriques qui présentent deux structures cristallines dans le même matériau. « Nous avons été très surpris du résultat. Habituellement, changer légèrement la composition a peu d’effet sur la structure dans cette classe de matériaux », a déclaré Emmanuel Guilmeau expliquant leur découverte.

L’équipe a découvert que le remplacement d’une petite partie du manganèse par du cuivre entraînait une microstructure complexe avec des nanodomaines interconnectés, des défauts et des interfaces cohérentes, qui affectaient les propriétés de transport du matériau pour les électrons et la chaleur.

Emmanuel Guilmeau a déclaré que le nouveau matériau résultant est stable jusqu’à 400 degrés Celsius, une bonne plage dans la plage de température de la plupart des chaleurs résiduelles industrielles. Il pensait que, sur la base de cette découverte, de nouveaux matériaux thermoélectriques moins coûteux et non toxiques pourraient être conçus pour remplacer les matériaux plus problématiques.

Référence: Pavan Kumar V, Passuti S, Zhang B, et al. Ingénierie des propriétés de transport dans les nanocomposites interconnectés Cu2+xMn1−xGeS4 Type Cu2+xMn1−xGeS4. Ang Chemie Int Ed:e202210600. deux:10.1002/anie.202210600

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