Engenharia de contorno de grão em cerâmicas de alta entropia: aumento da performance termoelétrica

Descrição

A crescente demanda global por energia limpa e a escassez de recursos energéticos fósseis impulsionam a busca por tecnologias inovadoras que permitam obter energia elétrica, alternativamente a partir de fontes diversas, como de calor, por exemplo. O material deve, ao mesmo tempo ter altos valores de condutividade elétrica, e de coeficiente Seebeck, e, ter baixa condutividade térmica. Atingir esta combinação é o grande desafio, pois estas propriedades físicas estão interligadas. A pesquisa atual sobre materiais termoelétricos encontra-se em um estágio intermediário, com valores típicos de zT variando de 0,3 a 0,6. Embora esses valores sejam inferiores aos dos materiais termoelétricos não óxidos de última geração, as cerâmicas óxidas oferecem estabilidade térmica e química superior, tornando-as candidatas propícias para aplicações em altas temperaturas (desde a temp. ambiente até 800 oC) e ambientes extremos. A busca pelo desenvolvimento destas cerâmicas quase sempre se traduz pela busca por altos valores de zT(≈ 0.7–1.0), faixa de temperatura e nível de maturidade tecnológica. As cerâmicas semicondutoras do tipo-p (CaMnO₃) e do tipo-n (Ca₃Co₄O₉) apresentam as propriedades requeridas, sendo promissoras para comporem dispositivos (ou módulos) termoelétricos e por isso têm sido objeto de intensas pesquisas da comunidade científica. O grupo (GDMaF), co-coordenado pelo proponente do presente projeto, se dedica ao estudo dessas cerâmicas há mais de uma década, aplicando .uma abordagem multidisciplinar que abrange desde a síntese dos materiais passando pelas caracterizações estrutural, microestrutural e termoelétrica, e chegando à construção dos módulos termoelétricos.. Entretanto, estes materiais ainda requerem estudos mais aprofundados para que os seus valores de eficiência de conversão termoelétrica possam ser ampliados, viabilizando suas aplicações comerciais. Assim, neste projeto é proposto o desenvolvimento de cerâmicas semicondutoras a base de CaMnO3 (tipo-p) e Ca3Co4O9 (tipo-n), mas, utilizando uma abordagem nova e avançada para esses materiais, associando os conceitos de Entropia configuracional elevada, aliados ou não à engenharia de contornos de grãos, visando alcançar a eficiência de conversão termoelétrica que qualifique esses materiais para aplicações comerciais. Esta abordagem ainda pouco utilizada baseia-se na forte redução da condutividade térmica, enquanto preserva os valores de S e .. Para isso, relacionadas às cobaltitas, pretende-se estudar, as composições Bi2(Sr2/3Ba2/3Ca2/3)Co2Oy, Bi1.9Cu0.1(Sr2/3Ba2/3Ca2/3)Co2Oy e Bi1.8Ag0.2(Sr2/3Ba2/3Ca2/3)Co2Oy. Quanto as composições a base de manganitas, serão estudadas: (La0,8Sr0,2)MnO3 e (La0,2Nd0,2Ca0,2Sr0,2Ba0,2)MnO3. Os compostos serão sintetizados por reação em estado sólido, e, diferentes métodos de sinterização, como convencional e por micro-ondas. As propriedades físicas, elétricas, térmica, estruturais, microestruturais das cerâmicas serão avaliadas e as cerâmicas promissoras serão utilizadas na construção de módulos termoelétricos. Neste contexto, essa proposta alinha-se diretamente com a Chamada CNPq N° 23/2025, contribuindo para o alcance das Metas de Desenvolvimento Sustentável (ODS).