Déverrouiller les Secrets des Matériaux Thermoélectriques pour l'Energie Future

Les matériaux thermoélectriques, autrefois principalement axés sur la conversion de la chaleur perdue en électricité, facilitent désormais les processus catalytiques, offrant des solutions innovantes pour l'efficacité énergétique et l'amélioration de l'environnement.

Les matériaux thermoélectriques, essentiels pour la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique et la réduction des déchets, ont élargi leur utilité au-delà de la récupération de la chaleur pour la catalyse, stimulés par les gradients de chaleur naturels et industriels.

Avec le développement rapide de la société humaine, la demande en énergie a connu une croissance explosive. Cependant, à l'heure actuelle, le rendement de l'énergie primaire est inférieur à 40%, le reste étant perdu sous forme de chaleur résiduelle, entraînant un gaspillage d'énergie important et exacerbant les problèmes environnementaux.

Les matériaux thermoélectriques, en tant que nouveau matériau énergétique capable de convertir directement l'énergie thermique en énergie électrique, ont suscité une attention croissante dans le domaine de la récupération de la chaleur résiduelle. Lorsqu'il y a une différence de température aux deux extrémités des matériaux thermoélectriques, une force thermoélectromotrice se forme à l'intérieur du matériau, permettant ainsi la conversion de l'énergie thermique en énergie électrique.

En plus de leur utilisation comme générateurs électriques, les matériaux thermoélectriques ont ouvert de nouvelles orientations pour la catalyse ces dernières années. Le faible gradient de température (<100 °C) causé par la chaleur omniprésente dans la nature et la production industrielle fournit une force d'entraînement suffisante pour les réactions catalytiques.

Cela permet la réutilisation des ressources de chaleur résiduelle de faible qualité pour alimenter différents processus de catalyse tels que la production d'hydrogène, la synthèse organique, la purification environnementale et les applications biomédicales. Il offre une nouvelle solution pour améliorer l'efficacité de l'utilisation de l'énergie, la conservation de l'énergie, la réduction des émissions et la catalyse verte.

Les modes de fonctionnement des systèmes TECatal : (a) mode structure hybride, (b) mode monophasé, (c) mode nanojonction P-N et (d) mode cellule thermogalvanique. Les applications potentielles des matériaux TECatal tels que (e) la production de H2 et la réduction de CO2, (f) la thérapie tumorale, (g) le traitement des gaz d'échappement des véhicules et (h) le revêtement de vitres pour la purification de l'air intérieur. Crédit : Science China Press

Sur la base des récentes avancées dans ce domaine émergent, l'équipe de l'Institut de technologie quantique et durable de l'Université du Jiangsu a proposé l'orientation de l'application conceptuelle de la thermocatalyse électrique (TECatal) et a résumé systématiquement les matériaux et modes de fonctionnement catalytiques thermoélectriques existants. Quatre modes de fonctionnement principaux ont été proposés : le mode structure hybride, le mode monophasé, le mode nanojonction P-N et le mode cellule thermogalvanique.

L'étude explore des moyens d'améliorer les performances des matériaux catalytiques thermoélectriques grâce à l'optimisation des propriétés thermoélectriques, l'ingénierie de bande, les microstructures et la stabilité. De plus, les perspectives des matériaux catalytiques thermoélectriques dans des domaines tels que l'énergie verte, le traitement des tumeurs et la gouvernance environnementale ont été proposées et discutées, fournissant des références importantes pour le développement futur de ce domaine.

Référence : "Thermoelectrocatalysis: an emerging strategy for converting waste heat into chemical energy" par Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu et Federico Rosei, 25 janvier 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036