Utilizando el método de reacción sólida fue posible preparar compósitos de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ/Ag (Ca349-Sr/Ag). Sus propiedades de transporte fueron estudiadas en el rango de temperatura entre 80K y 300K mediante mediciones de coeficiente Seebeck (S), conductividad térmica κ(T) y resistividad eléctrica ρ(T). El rendimiento termoeléctrico se determinó a través del cálculo del factor de potencia (PF) y la figura de mérito adimensional (ZT), estos parámetros alcanzaron valores máximos cercanos a 13μW/K2-cm y 0,18, respectivamente. El incremento observado en el rendimiento termoeléctrico es el resultado de los efectos combinados de la sustitución del estroncio (Sr) por calcio (Ca) y la adición de plata sobre las propiedades de transporte de compósito. Los resultados obtenidos hacen de estas estructuras materiales promisorios para ser usados en el diseño de dispositivos termoeléctricos útiles en aplicaciones a bajas temperaturas.
Using the solid reaction method, it was possible to prepare composites of Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ /Ag (Ca349-Sr/Ag). Its transport properties were studied in the temperature range between 80K and 300K by measurements of Seebeck coefficient S(T), thermal conductivity κ(T) and electrical resistivity ρ(T). The thermoelectric performance was determined through the calculation of the power factor PF and the dimensionless merit figure ZT, these parameters reached maximum values close to 13μW/K2-cm and 0.18, respectively. The observed increase in thermoelectric performance is the result of the combined effects of substitution of Sr by Ca and the addition of silver on the transport properties of composite. The results obtained make these structures promising materials to be used in the design of thermoelectric devices useful in applications at low temperatures.
Los materiales termoeléctricos hacen posible la transformación directa de energía térmica en eléctrica y viceversa. Este proceso de conversión energética se lleva a cabo mediante los efectos Seebeck y Peltier y constituye una fuente alternativa de energía limpia. Igualmente, este proceso da lugar a la recuperación de energía térmica de desecho, producto de la actividad cotidiana e industrial. El mayor desafío de la investigación en materiales termoeléctricos es el incremento de su eficiencia de conversión energética, la cual es una función de su figura de mérito, este parámetro de rendimiento depende de las propiedades de transporte de los materiales utilizados y es dado por la siguiente expresión1:
Donde S, ρ, κ y T son, respectivamente, el coeficiente Seebeck, la resistividad eléctrica, la conductividad térmica total y la temperatura absoluta. En esta ecuación el término S2/ρ es conocido como el factor de potencia termoeléctrico (PF). Este es un parámetro de rendimiento dependiente de las propiedades eléctricas, las cuales son una función directa de la movilidad y la masa efectiva de los portadores de carga. Por esta razón, este es un parámetro fundamental para tener en cuenta para alcanzar altos valores de rendimiento durante el proceso de conversión energética1,2. La figura de mérito puede ser vista como la fracción de la eficiencia de Carnot que puede ser alcanzada por un dispositivo termoeléctrico. En consecuencia, la eficiencia de conversión en función de la figura de mérito se puede expresar mediante la ecuación3–5:
donde ηC es la eficiencia de Carnot (ηC=TH−TC/TH), Z la figura de mérito y Tmean la temperatura media (Tmean=TH+TC/2), TH y TC son respectivamente la temperatura de los reservorios caliente y frío.
Desde su aparición, se ha identificado una amplia variedad de materiales con propiedades termoeléctricas, cada uno de ellos tiene un rango de temperatura en el que son óptimas sus propiedades de conversión. Los compuestos intermetálicos entre los que se destacan las aleaciones de bismuto-antimonio muestran buenas propiedades de transporte a bajas temperaturas (inferiores a la del ambiente), pero sus pobres propiedades mecánicas hacen que su uso en dispositivos termoeléctricos prácticos sea limitado. Mientras que el telururo de bismuto (Bi2Te3) y sus aleaciones son ampliamente utilizados actualmente en aplicaciones comerciales de generación y refrigeración termoeléctrica. Sin embargo, estos materiales presentan ciertas dificultades relacionadas con la toxicidad y escasez del telurio, junto con el angosto rango de temperatura en el cual son óptimas sus propiedades termoeléctricas (temperatura ambiente y superiores)5,6. Esto hace que sea necesario identificar y caracterizar los compuestos estables térmicamente, que tengan un rango de temperatura óptimo más amplio y, algo muy importante, que sean ambientalmente amigables.
A temperaturas superiores a 500 K, las aleaciones de silicio-germanio (Si-Ge) muestran buen rendimiento termoeléctrico con valores para su figura de mérito alrededor de la unidad, razón por la cual son ampliamente utilizadas en aplicaciones espaciales1,2. Por otra parte, una las posibles aplicaciones de los dispositivos termoeléctricos es en el desarrollo de sistemas de refrigeración, lo cual hace imperativo contar con materiales que tengan buenas propiedades termoeléctricas a temperaturas inferiores a la del ambiente.
Actualmente, la investigación en materiales termoeléctricos se enfoca hacia el desarrollo de materiales diferentes a los convencionalmente utilizados en la fabricación de dispositivos termoeléctricos (Bi2Te3, PbTe, aleaciones de Si-Ge, etc.)6,7. Estos estudios están guiados por dos premisas fundamentales, por una parte, la búsqueda de materiales que se comporten como un cristal para el transporte electrónico y como un vidrio para el flujo fonónico (PGEC) y, por otra parte, la reducción de la dimensionalidad da lugar al manejo de la densidad de portadores de carga en la vecindad del nivel de Fermi permitiendo un incremento de las propiedades termoeléctricas. Esto ha dado como resultado la aparición de una nueva generación de compuestos entre los que se destacan las skutteruditas llenas, clathrates, calcogenuros, sistemas de baja dimensionalidad y los materiales basados en óxidos cerámicos tales como: LaCoO3, La1−xSrxCoO3, Bi2Ca2Co2O3, NaCo2O4, Ca3Co4O9+δ, Ca3Co2O6, etc. Teniendo en cuenta sus propiedades de transporte, así como su estabilidad física y química, estos óxidos son considerados como candidatos promisorios para su utilización como termoelementos en un amplio rango de temperatura, sin embargo, se hace necesario optimizar sus propiedades de transporte de tal manera que haga posible su empleo en el diseño de dispositivos convertidores de energía8–11.
En particular, el óxido cerámico Ca3Co4O9+δ (Ca349) está formado por un arreglo alternado de capas conductoras de CoO2 y capas aislantes del tipo sal de roca de Ca2CoO3+δ. Estas estructuras tienen una simetría monoclínica con idénticos valores para los parámetros a,c y β, pero diferentes valores para el parámetro b, los cuales se denotan como b1 y b2, respectivamente. Algunos estudios han mostrado que la magnitud del coeficiente Seebeck es una función del desajuste en los parámetros b1 y b2 correspondientes a las capas conductora y aislante12,13.
Adicionalmente, las cerámicas de Ca349 presentan altos valores para la conductividad eléctrica y el coeficiente Seebeck, los cuales junto con su bajo costo y estabilidad térmica hacen de estos compuestos potenciales candidatos para ser utilizados en aplicaciones termoeléctricas14–16. El transporte eléctrico y térmico en estas estructuras puede ser optimizado mediante la alteración de su microestructura, siendo esta la base para la modificación de las propiedades termoeléctricas de un determinado material mediante la sustitución química. Además, la inclusión de partículas altamente conductoras en el espacio intergranular puede resultar en un incremento en la conductividad eléctrica y en una reducción de la conductividad térmica16.
Algunos de estos mecanismos junto con la optimización de los métodos de preparación han sido explorados con el fin de mejorar las propiedades termoeléctricas de los compuestos de Ca349. En este sentido, se ha determinado que el límite de sustitución de estroncio (Sr) por calcio (Ca) se encuentra alrededor de 0,6; sin embargo, los valores que optimizan las propiedades termoeléctricas de estos compuestos se encuentran cerca de 0,06; estos valores dan lugar a un incremento en el coeficiente Seebeck y la conductividad eléctrica acompañados con la reducción en la conductividad térmica atribuida la dispersión fonónica originada por la presencia de los átomos de Sr (rattler effect)17–19.
En este trabajo se pretende investigar el efecto combinado de la sustitución iónica de Sr por Ca y la adición de plata (Ag) sobre las propiedades de transporte en cerámicas de Ca349, mediante la preparación y caracterización de compósitos de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ/Ag, con el fin de evaluar su posible utilidad en el desarrollo de dispositivos útiles en aplicaciones a bajas temperaturas.
Detalles experimentalesPara preparar los compuestos de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ se utilizó el método de reacción de estado sólido, a partir de una mezcla estequiométrica de los óxidos Co3O4 (Alfa Aesar 99,7%), SrO (Alfa Aesar 99,5%) y CaCO3 (Merck 98-100,5% [dry basis]). Los óxidos precursores se sometieron a un proceso de secado, pesado, mezclado y calcinado a 900̊C. Seguidamente las muestras fueron molidas en un mortero de ágata, mezcladas y sometidas a un proceso de prensado bajo una presión de 200 MPa y luego sinterizadas a 950̊C durante 24 horas. Como fuente de plata para la preparación de los compósitos, se emplearon varias cantidades de nitrato de plata de alta pureza (AgNO3 (Alfa Aesar, 99,995%), las cuales corresponden a los siguientes porcentajes de plata en peso en las muestras finales 1, 2, 3, 5, 8 y 10 Wt%. La mezcla del material cerámico y el nitrato de plata se sometió a un tratamiento térmico a 300̊C por tres horas a fin de descomponer el nitrato de plata. Entonces, la mezcla fue prensada en frío a 900 MPa y sometida a un proceso de sinterizado a 950̊C durante 12 horas en una atmósfera rica en oxígeno. Finalmente, las muestras sinterizadas se cortaron para su caracterización eléctrica y térmica, sus dimensiones aproximadas fueron de 8x3x1 mm3.
La estructura cristalina se estudió mediante un análisis de difracción de rayos X utilizando un difractómetro PANalytical X’Pert Pro (Malvern Panalytical Ltda, PANalytical Products, Malvern, Reino Unido), con una geometría Bragg-Bretano, una radiación CuKα con una longitud de onda λ=1,540598Å y un voltaje de aceleración de 45kV, con un paso angular de 0,01° y un tiempo de exposición de dos segundos. Las propiedades estructurales se determinaron utilizando la función de Rietveld. La determinación del tamaño del cristalito se llevó a cabo mediante el software HighScore Plus (Malvern Panalytical Ltda, PANalytical Products, Malvern, Reino Unido).
La resistividad eléctrica se midió empleando el método estándar de cuatro sondas, para lo cual se colocaron cuatro contactos con pintura de Ag, igualmente espaciados. Por los contactos exteriores se hizo circular una corriente constante de 2mA (fuente de corriente constante programable Tektronix modelo PS2520G, Tektronix, Inc., Beaverton, Estados Unidos) y la diferencia de potencial generada se midió a través de los contactos interiores utilizando un voltímetro Keithley 182.
Por otra parte, el coeficiente Seebeck se determinó utilizando el método integro-diferencial, en el que se mide el termovoltaje generado en función de la variación de temperatura a través de la muestra. A partir de la relación lineal existente entre ΔV y ΔT es posible encontrar el coeficiente Seebeck absoluto de la muestra, empleando la pendiente de esta relación lineal. La diferencia de temperatura usada fue aproximadamente de 0,5K.
Para la medición de la conductividad térmica se utilizó un sistema de calentamiento pulsado, en el que la temperatura en la muestra incrementa hasta alcanzar el estado estacionario y luego retorna a su condición de equilibrio.
La morfología de las muestras se estudió mediante un análisis de microscopía electrónica de barrido (SEM), se empleó un equipo Vega 3 TESCAN SB (Tescan Group, a.s., Brno-Kohoutovice, República Checa), que posee un cañón de electrones de 25-50μm, un filamento de tungsteno, un potencial aplicado de 20kV y la corriente de emisión tiene un valor máximo de 100μA. Igualmente, se utilizó un detector de electrones secundarios y uno de electrones retrodispersados. Por otro lado, el análisis composicional se adelantó mediante un análisis de espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDX).
Discusión y análisisPropiedades estructurales y morfológicasEn la fig. 1 se muestran los difractogramas correspondientes al análisis de difracción de rayos X, según el cual las muestras pertenecen al compuesto de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ con una estructura cristalina de carácter ortorrómbico y plata como fase secundaria. De acuerdo con la carta PDF # 21-0139 las muestras pueden ser indexadas a la estructura Ca3Co4O9+δ. Los picos adicionales se ajustan bien a la carta PDF # 01-1167 correspondiente a la plata metálica. Se pudo observar que dentro del rango de error no se encontraron cambios en los ángulos de difracción ni en los parámetros de red. El cálculo de estos parámetros mostró los siguientes valores: a = 10,889(1) Å, b = 10,729(2) Å y c = 7,979(2) Å. Estas observaciones permiten evidenciar que los átomos de plata no se incorporan a la estructura de la cerámica Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ, lo cual sugiere que estos permanecen en el espacio intergranular. El tamaño del cristalito calculado mediante el modelo de Scherrer toma valores cercanos a 60nm, los cuales no muestran cambios apreciables dado el bajo nivel de dopado utilizado.
Los análisis de SEM y EDX de secciones transversales de muestras fracturadas pertenecientes a los compósitos preparados se muestran en la fig. 2. Las micrografías de SEM permiten ver que las muestras son densas y presentan una ligera porosidad, adicionalmente, se puede apreciar la estructura de placas la cual es típica en este tipo de materiales cerámicos. Las muestras obtenidas a diferencia de las preparadas mediante el método de prensado en caliente no son altamente texturizadas y exhiben un tamaño de grano relativamente pequeño, con valores que varían ente 1,6μm y 5μm19,20.
En las muestras estudiadas es posible observar material granular correspondiente al compuesto cerámico y partículas de plata, como se ilustra en la fig. 2a. Con el aumento en la adición de plata, el tamaño de las partículas se incrementa como resultado del proceso de aglomeración, estas toman valores que van desde 0,25 hasta 0,6μm (fig. 2b). El análisis de EDX (fig. 2c) confirma las observaciones realizadas en los análisis de DRX, según los cuales las muestras se componen de una matriz cerámica de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ y plata como fase secundaria (granos brillantes).
La densidad de los compósitos fue determinada mediante la utilización del método de Arquímedes, se encontró que la densidad de todas las muestras tomó valores desde 3,8g/cm3 en el caso de las muestras sin adición de plata hasta 4,6g/cm3 para las muestras con el 10% de plata adicionada, lo cual es aproximadamente el 94% del valor esperado para muestras idealmente densas (4,68g/cm3)21,22.
Propiedades eléctricasEn forma general, el comportamiento de la resistividad eléctrica con la temperatura en compuestos de Ca3Co4O9+δ presenta cuatro regímenes bien definidos. A temperaturas inferiores Tmin, la resistividad exhibe un comportamiento aislante, el cual se caracteriza por una pendiente negativa en la curva de ρ(T). En Tmin el material sufre una transición metal-aislante (MIT), a partir de la cual el material muestra un comportamiento de carácter metálico, descrito como un líquido de Fermi hasta la temperatura T*, a partir de la cual el compuesto presenta el comportamiento típico de un metal incoherente. Finalmente, a elevadas temperaturas el compuesto Ca3Co4O9+δ exhibe un comportamiento semiconductor23–25.
En la fig. 3 se presenta el comportamiento de la resistividad eléctrica en función de la temperatura para las muestras en estudio, la magnitud de ρ(T) decrece monotónicamente con el contenido de plata. A temperatura ambiente, la magnitud de la resistividad (ρ300K) decrece desde 4mΩ-cm hasta 2mΩ-cm, como se muestra en la tabla 1. Las curvas de ρ(T) evidencian un comportamiento metálico en todo el rango de temperatura estudiado, aquí es posible identificar dos diferentes temperaturas de transición Tmin, la cual corresponde a la transición metal-aislante y T* la cual corresponde a la transición de líquido de Fermi a metal incoherente24,25.
Valores obtenidos para la resistividad eléctrica a 300K, valores relativos del coeficiente de transporte de un líquido de Fermi (A/Ao) (y para la temperatura de transición T*) mostrados por las muestras en estudio
| Wt%Ag | 0 | 1 | 2 | 3 | 5 | 5 | 10 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ρ300K(Ω-cm) | 4,4 | 3,9 | 3,4 | 3,0 | 2,7 | 2,3 | 2,2 |
| A/A0 | 1 | 0,98 | 0,96 | 0,98 | 0,97 | 0,99 | 1,02 |
| T*(K) | 205 | 205 | 206 | 206 | 205 | 204 | 207 |
El transporte eléctrico en un líquido de Fermi puede ser descrito mediante un modelo dado por la siguiente ecuación26,27:
donde ρ0 es la resistencia residual originada por las fronteras y otros mecanismos de dispersión independientes de la temperatura, el término AT2 describe los mecanismos de dispersión generados por la interacción electrón-electrón, siendo A el coeficiente de transporte de un líquido de Fermi27,28.
En nuestro análisis, las temperaturas Tmin y T* fueron determinadas como la temperatura donde dρ/dT=0 y el final de la dependencia lineal de ρ vs. T2 (fig.3b), respectivamente. Como se puede ver en la tabla 1, la adición de plata no altera significativamente estos parámetros, lo cual sugiere que la correlación electrónica en el compuesto cerámico no se afecta con la adición de plata.
Por otra parte, la teoría dinámica de campo promedio (DMFT) describe el papel fundamental de la masa efectiva m* sobre las propiedades de transporte de un líquido de Fermi. Esta predice una dependencia inversamente proporcional de Tmin con m* y A como la masa efectiva al cuadrado, es decir: T*∼1/m* y A∼m*226. En este estudio se encontró que T* y A no se alteran con la adición de plata (tabla 1), el comportamiento de A fue evaluado a través del cálculo de su valor relativo respecto A0(A/A0), donde A0 es el valor del coeficiente de transporte en un líquido de Fermi en ausencia de plata adicionada. Entonces la invariabilidad de T* y de A con la adición de plata confirma que la correlación electrónica en estos compuestos no es afectada por la presencia de las partículas de plata.
Propiedades térmicasEn la fig. 4a se muestra la dependencia de la conductividad térmica con la temperatura en el rango de temperatura entre 85K y 300K. El decrecimiento de la conductividad térmica para bajos valores de plata, sugiere que pequeñas partículas de esta pueden incrementar los procesos de dispersión de fonones. Sin embargo, grandes niveles de plata son responsables del subsecuente incremento de la conductividad térmica, si se tiene en cuenta que altos valores dan lugar a un nuevo mecanismo de conducción térmica (fig. 4 b).
Es conocido que la conductividad térmica de carácter vibracional kph y la conductividad térmica electrónica ke son las contribuciones primarias a la conductividad térmica total, la cual se puede expresar como29,30.
Por otra parte, la contribución electrónica, κe puede ser calculada mediante la utilización del modelo propuesto por Wiedemann-Franz (WF), ke=LT/ρ, donde L es el número de Lorentz y ρ es la resistividad eléctrica. Empleando este modelo la conductividad térmica electrónica fue calculada, la cual muestra un incremento significativo con el nivel de plata, alcanzando valores máximos cercanos al 14% de la conductividad térmica medida experimentalmente (fig. 5a y b). Conociendo la conductividad térmica electrónica fue posible calcular la contribución fonónica (según la ecuación 4). Esta muestra valores próximos a 90% de la conductividad térmica total, resultado que permite sugerir que en los compósitos estudiados la conductividad térmica de carácter vibracional es el mecanismo primario del transporte térmico.
Coeficiente Seebeck
A fin de estudiar las propiedades termoeléctricas de estos compósitos, se determinó la dependencia del coeficiente Seebeck con la temperatura y el contenido de plata, este comportamiento se muestra en la fig. 6. El coeficiente Seebeck en todas las muestras es positivo en todo el rango de temperatura estudiado, lo cual sugiere un transporte eléctrico dado por portadores de carga positivos. Al comparar el comportamiento de S(T) exhibido por las muestras en estudio con el del compuesto original Ca3Co4O9+δ se observa que la adición de plata no afecta la forma de las curvas de S(T) en un todo, únicamente se ve alterada su magnitud.
La magnitud de S(T) decrece en forma monotónica con el contenido de plata desde 170μV/K para la muestra sin Ag hasta 130μV/K para la muestra con 10 Wt% Ag. Es importante notar que los grandes cambios ocurren a altos valores de plata, lo cual es consecuencia de los efectos de las partículas de Ag sobre las propiedades de transporte de este tipo de compósitos.
Se ha sugerido que las partículas de plata en un compósito desempeñan dos roles diferentes dependiendo de la cantidad añadida. En primer lugar, la presencia de pequeñas cantidades de plata da lugar a la formación de partículas de tamaño nanométrico dispersas entre los granos del material cerámico, en este caso la plata adicionada no tiene grandes efectos sobre el comportamiento de S(T). Al incrementar los niveles de plata esta sufre un proceso de aglomeración formando partículas grandes, las cuales degradan los valores de S(T), pues actúan como cortocircuitos para el termovoltaje generado. Esto explica por qué la magnitud de S(T) no fue significativamente deteriorado por pequeñas cantidades de plata, sin embargo, efectos más notables se presentan con la presencia de grandes aglomerados de Ag.
Ahora, si las partículas de plata son pequeñas y están dispersas entre los granos de Ca349 el coeficiente Seebeck puede ser expresado como:
Bajo estas condiciones el coeficiente Seebeck del compósito es aproximadamente igual al del material cerámico. Pero cuando el contenido de plata se incrementa, la plata forma un nuevo canal para el transporte de carga en los compuestos, en este caso el coeficiente Seebeck es dado por la siguiente ecuación31:
En este caso el coeficiente Seebeck decrece marcadamente con el contenido de plata, como se observó en los resultados experimentales.
El coeficiente Seebeck para los compósitos de Ca2,95Sr0,05Co4O9+δ/Ag es altamente dependiente de la temperatura a temperaturas inferiores a 160K, pero este se comporta en forma casi independiente de la temperatura sobre 200K, este comportamiento es típico de estos compuestos y ha sido observado y estudiado anteriormente32,27.
En forma general, la fórmula de Mott es utilizada para describir el comportamiento de S(T) con la temperatura23,33. Según este modelo el coeficiente Seebeck se expresa como:
Donde, fε es la función de distribución de Fermi-Dirac para la energía ε y σε es la conductividad eléctrica.
Si se tiene la condición ∂fε/∂ε=δε=εF y σ=enμε, entonces es posible obtener la siguiente expresión para S(T):
Donde n es la concentración de portadores de carga, με es la movilidad del portador de carga dependiente de la energía, Ce es el calor específico y kB es la constante de Boltzmann.
Cuando se observa una predominancia del primer término en la ecuación 8, entonces se espera una dependencia inversamente proporcional de la magnitud de S(T) con n. Por otra parte, la correlación de los portadores de carga está estrechamente relacionada con el segundo término de la ecuación 832,33,34.
En este estudio, el coeficiente Seebeck exhibe el mismo comportamiento con la temperatura, sin embargo, su magnitud presenta un comportamiento inverso con el contenido de plata. Sugiriendo que la adición de plata no tiene un impacto significativo sobre la correlación electrónica del sistema, pero si afecta la densidad de portadores de carga.
Rendimiento termoeléctricoEl rendimiento termoeléctrico de los compósitos fue estudiado mediante la determinación del factor de potencia termoeléctrico, PF=S2/ρ, y la figura de mérito adimensional, ZT=S2T/ρk (ecuación 1).
La fig. 7a muestra el comportamiento del factor de potencia con la temperatura y el contenido de plata, se observa que este se incrementa con la adición de plata alcanzando valores máximos cercanos a 13μW/K2-cm en el rango de temperatura entre 100K y 160K, para el caso de las muestras con 3 Wt% Ag.
Por otra parte, el comportamiento de la figura de mérito en función de la temperatura y el contenido de plata para los compósitos de Ca2.95Sr0.05Co4O9+δ/Ag se muestran en la fig. 7b. Es posible observar que el rendimiento termoeléctrico se incrementa con el contenido de plata alcanzando valores máximos cercanos a 0,18 en el rango de temperatura entre ∼ 160K y ∼ 240K. Los mejores resultados son mostrados por las muestras con niveles de plata Ag = 3 Wt% y Ag = 5 Wt%.
Estos resultados se pueden comparar por una parte con los valores típicos mostrados por las cerámicas de Ca349 cuya figura de mérito toma valores cercanos a 0,05, es decir que los valores obtenidos en este estudio son aproximadamente 3,6 veces más grandes. Por otra parte, si se tiene en cuenta que los compuestos de Bi2-xSbxTe3 a 240K muestran valores para ZT cercanos a 0,5, se puede considerar que los valores obtenidos son cercanos, lo cual indica que es posible optimizar las propiedades de transporte de estos materiales cerámicos de tal manera que puedan ser utilizados en el diseño de dispositivos convertidores de energía.
ConclusionesEl método de reacción de estado sólido puede ser utilizado en la preparación de compósitos formados por óxidos cerámicos y metales conductores. Este método dio lugar a la obtención de compósitos de Ca2,95Sr0,05Co4O9+δ/Ag, en los cuales las propiedades de transporte de la cobaltita Ca349 fueron modificadas mediante la sustitución de átomos de Sr por átomos de Ca, junto con la adición de partículas de plata. Las muestras obtenidas presentan una estructura ortorrómbica y altos valores para el coeficiente Seebeck, los cuales no se alteran significativamente con la presencia de bajos niveles de plata adicionada. Sin embargo, la adición altos valores de plata se genera un decremento en las propiedades de transporte. El comportamiento observado en las propiedades de transporte dio lugar a un incremento el rendimiento termoeléctrico, el cual alcanzó valores máximos para el factor de potencia y la figura de mérito cercanos a 13μW/K2-cm y 0,18, respectivamente. Esto permite proponer estos compósitos para ser empleados en el diseño de aplicaciones termoeléctricas de baja temperatura tales como en sistemas de refrigeración y aplicaciones médicas, entre otras.
Conflicto de interesesLos autores declaran que no tienen intereses de carácter económico o relaciones personales que pudieran haber influido en el contenido del trabajo reportado en este artículo.
Los autores agradecen el apoyo recibido de parte de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Colombia para la realización de este trabajo el cual hace parte del proyecto de investigación número 55369 “Desarrollo y caracterización termoeléctrica de estructuras compuestas basadas en óxidos cerámicos”.
