Desbloqueando los Secretos de los Materiales Termoeléctricos para la Energía Futura

Los materiales termoeléctricos, que inicialmente se centraban principalmente en convertir el calor residual en electricidad, ahora facilitan los procesos catalíticos, ofreciendo soluciones innovadoras para la eficiencia energética y la mejora del medio ambiente.

Los materiales termoeléctricos, esenciales para convertir la energía térmica en energía eléctrica y reducir los residuos, han ampliado su utilidad más allá de la recuperación de calor a la catálisis, impulsados por los gradientes de calor naturales e industriales.

Con el rápido desarrollo de la sociedad humana, la demanda de energía ha experimentado un crecimiento explosivo. Sin embargo, en la etapa actual, la eficiencia de utilización de la energía primaria es inferior al 40%, y el resto se pierde en forma de calor residual, lo que provoca un grave desperdicio de energía y agudiza los problemas ambientales.

Los materiales termoeléctricos, como un nuevo material energético capaz de convertir directamente la energía térmica en energía eléctrica, han ganado una creciente atención en el campo de la recuperación del calor residual. Cuando existe una diferencia de temperatura en los dos extremos de los materiales termoeléctricos, se genera una fuerza electromotriz termoeléctrica dentro del material, logrando así la conversión de energía térmica a energía eléctrica.

Además de su utilización como generadores eléctricos, los materiales termoeléctricos han abierto nuevas direcciones para la catálisis en los últimos años. El pequeño gradiente de temperatura (<100 °C) causado por el calor generalizado en la naturaleza y la producción industrial proporciona una fuerza impulsora suficiente para las reacciones catalíticas.

Esto permite la reutilización de los recursos de calor residual de bajo grado para impulsar diferentes procesos de catálisis, como la producción de hidrógeno, la síntesis orgánica, la purificación del medio ambiente y las aplicaciones biomédicas. Ofrece una nueva solución para mejorar la eficiencia de utilización de la energía, el ahorro de energía, la reducción de emisiones y la catálisis verde.

Modos de trabajo de los sistemas TECatal: (a) modo de estructura híbrida, (b) modo de fase única, (c) modo nanounión P-N, y (d) modo de celda termogalvánica. Posibles aplicaciones de los materiales TECatal en (e) producción de H2 y reducción de CO2, (f) terapia de tumores, (g) tratamiento de gases de escape de vehículos y (h) recubrimiento de vidrio de ventanas para la purificación del aire interior. Crédito: Science China Press

Basándose en los recientes avances en esta emergente área, el equipo del Instituto de Tecnología Cuántica y Sostenible de la Universidad de Jiangsu, ha propuesto la dirección de aplicación conceptual de termoelectrocatalisión (TECatal) y ha resumido sistemáticamente los materiales y modos de trabajo catalíticos termoeléctricos existentes. Se sugirieron cuatro modos de trabajo principales, incluyendo el modo de estructura híbrida, el modo de fase única, el modo nanounión P-N y el modo de celda termogalvánica.

El estudio explora formas de mejorar el rendimiento de los materiales catalíticos termoeléctricos mediante la optimización de las propiedades termoeléctricas, la ingeniería de bandas, las microestructuras y la estabilidad. Además, se propusieron y discutieron las perspectivas de los materiales catalíticos termoeléctricos en áreas como la energía verde, el tratamiento de tumores y la gobernanza ambiental, proporcionando referencias importantes para el futuro desarrollo de este campo.

Referencia: “Thermoelectrocatalysis: an emerging strategy for converting waste heat into chemical energy” por Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu y Federico Rosei, 25 de enero de 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036