Sbloccare i segreti dei materiali termoelettrici per l'energia del futuro

I materiali termoelettrici, una volta principalmente focalizzati sulla conversione del calore residuo in elettricità, ora facilitano processi catalitici, offrendo soluzioni innovative per l'efficienza energetica e il miglioramento dell'ambiente.

I materiali termoelettrici, fondamentali per convertire l'energia termica in energia elettrica e ridurre gli sprechi, hanno ampliato la loro utilità oltre il recupero del calore per la catalisi, guidati dai gradienti di calore naturali e industriali.

Con il rapido sviluppo della società umana, la domanda di energia ha subito una crescita esplosiva. Tuttavia, allo stadio attuale, l'efficienza di utilizzo dell'energia primaria è inferiore al 40%, con il resto che viene perso sotto forma di calore di scarto, causando un grave spreco di energia e aggravando i problemi ambientali.

I materiali termoelettrici, come un nuovo materiale energetico in grado di convertire direttamente l'energia termica in energia elettrica, hanno guadagnato sempre più attenzione nel campo del recupero del calore di scarto. Quando esiste una differenza di temperatura alle due estremità dei materiali termoelettrici, una forza termoelettromotrice si genera all'interno del materiale, ottenendo così la conversione dell'energia termica in energia elettrica.

Oltre all'utilizzo come generatori elettrici, i materiali termoelettrici hanno aperto nuove direzioni per la catalisi negli ultimi anni. Il piccolo gradiente di temperatura (<100 °C) causato dal diffuso calore in natura e nella produzione industriale fornisce una forza motrice sufficiente per le reazioni catalitiche.

Questo permette il riutilizzo di risorse di calore residuo di basso grado per alimentare diversi processi catalitici come la produzione di idrogeno, la sintesi organica, la purificazione dell'ambiente e le applicazioni biomediche. Offre una nuova soluzione per migliorare l'efficienza di utilizzo dell'energia, la conservazione dell'energia, la riduzione delle emissioni e la catalisi verde.

Modalità di funzionamento dei sistemi TECatal: (a) modalità a struttura ibrida, (b) modalità a fase singola, (c) modalità a giunzione nano-P-N, e (d) modalità a celle termogalvaniche. Potenziali applicazioni dei materiali TECatal in (e) produzione di H2 e riduzione del CO2, (f) terapia tumorale, (g) trattamento dei gas di scarico del veicolo, e (h) rivestimento del vetro delle finestre per la purificazione dell'aria interna. Credit: Science China Press

Basandosi sui recenti progressi in questo settore emergente, il team dell'Istituto di Tecnologia Quantistica e Sostenibile dell'Università di Jiangsu, ha proposto la direzione di applicazione concettuale della termoelettrocatalisi (TECatal) e ha riassunto sistematicamente i materiali catalitici termoelettrici esistenti e le modalità di funzionamento. Sono state suggerite quattro principali modalità di funzionamento, tra cui modalità a struttura ibrida, modalità a fase singola, modalità a giunzione nano-P-N e modalità a celle termogalvaniche.

Lo studio esplora modi per migliorare le prestazioni dei materiali catalitici termoelettrici attraverso l'ottimizzazione delle proprietà termoelettriche, l'ingegneria delle bande, le microstrutture e la stabilità. Inoltre, sono state proposte e discusse le prospettive dei materiali catalitici termoelettrici in aree come l'energia verde, il trattamento dei tumori e la governance ambientale, fornendo importanti riferimenti per il futuro sviluppo di questo campo.

Riferimento: “Termoelettrocatalisi: una strategia emergente per convertire il calore di scarto in energia chimica” di Yuqiao Zhang, Shun Li, Jianming Zhang, Li-Dong Zhao, Yuanhua Lin, Weishu Liu e Federico Rosei, 25 gennaio 2024, National Science Review. DOI: 10.1093/nsr/nwae036