Thermoelectric composites based on SrTiO₃: from materials to module design

Thermoelectric technology is emerging as a promising method enabling the direct conversion of waste heat into electrical power. Thermoelectric oxides represent an interesting alternative to classical thermoelectrics, allowing the use of high-temperature conditions and involving abundant and inexpensive materials. Strontium titanates with donor substitution show one of the best thermoelectric performances among oxides. The work performed focused on designing SrTiO₃-based thermoelectric composites and constructing a small thermoelectric module prototype from these materials. Based on the literature, Sr₀ꓹ₈₅La₀ꓹ₁TiO₃ (SLTO) was selected as the base matrix, to which 2 and 4% molar of SrMoO₄ (SMO) disperser was added. The samples were prepared by a solid-state route, in the case of the pure matrix, and by a modified Pechini method, in the case of SMO, to obtain submicrometric and nanometric particle sizes. After synthesis, the samples were isostatically pressed and sintered in a reducing atmosphere containing a mixture of H₂/N₂ gases, at a temperature of 1500 °C for 10 h, to achieve high thermoelectric performance. The structural and microstructural properties of the composites were evaluated by XRD/SEM/EDS. Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were also measured. From these characterizations, the formation of molybdenum nanoprecipitates was verified, resulting in remarkable microstructural development and an important improvement of the thermoelectric properties, especially at high temperatures. The power factor of the prepared composites was ~1.7 times higher than of the reference SLTO samples, at 521 K. The dimensionless figure of merit reached top values close to 0.4 for the composites, while for the reference matrix reached only a maximum of 0.25. Prototype unileg modules composed of four and more legs were prepared using the best composites, namely the ones containing 2% molar of SMO. The internal resistance of the best module (41.8 Ω at room temperature) was found to be mostly determined by the resistance from the interface between the thermoelectric leg and the silver electrode and connector. The electrical performance of the modules was tested for two different temperature gradients and in air, reaching a maximum power of 43.1 μW for a square, four-leg design. The stability of the best module was also evaluated, while continuously running in air under a constant gradient. A energia termoelétrica vem emergindo como uma tecnologia promissora possibilitando a conversão de desperdícios de calor em energia elétrica. Óxidos termoelétricos representam uma alternativa interessante para termoelétricos tradicionais, permitindo que se utilize condições a elevadas temperaturas envolvendo materiais abundantes e baratos. Titanatos de estrôncio com substituição doadora apresentam um dos melhores desempenhos termoelétricos entre os óxidos. O trabalho realizado focou-se no design de compósitos termoelétricos à base de SrTiO₃ e na construção de um pequeno protótipo de um módulo termoelétrico com base nestes materiais. Com base na literatura, Sr₀ꓹ₈₅La₀ꓹ₁TiO₃ (SLTO) foi a matriz selecionada, à qual se adicionou 2 e 4% molar de SrMoO₄ (SMO). As amostras foram preparadas por meio de estado sólido, no caso da matriz, e pelo método de Pechini modificado no caso do SMO, para obter partículas submicrométricas e nanométricas. Depois da mistura e preparação de amostras a partir destes percursores, foram sinterizadas em atmosfera redutora, com uma mistura de gases H₂/N₂, a uma temperatura de 1500 oC durante 10 h, para atingir um elevado desempenho termoelétrico. As propriedades estruturais e microestruturais dos compósitos foram avaliadas por XRD/SEM/EDS. O coeficiente de Seebeck, a condutividade elétrica e a condutividade térmica foram também medidas. A partir destes resultados verificou-se a formação de nanoprecipitados de molibdénio, resultando num notável desenvolvimento microestrutural e uma melhoria nas propriedades termoelétricas. No caso do fator de potência, dos compósitos preparados, este era ~1,7 vezes superior a 521 K, quando comparado com a matriz SLTO. No caso da figura de mérito esta atingiu valores próximos de 0,4, para os compósitos, ao passo que no caso da matriz esta apenas apresentou uma figura de mérito de 0,25 como melhor valor. Protótipos de módulos unileg, compostos por quatro pernas, foram produzidos recorrendo à melhor amostra compósito, sendo a que contem 2% molar de SMO. A resistência interna do melhor modulo (41,8 Ω a temperatura ambiente) percebeu-se que era maioritariamente determinada pela resistência na interface entre a perna termoelétrica e o elétrodo de prata. O desempenho elétrico do modulo foi testado a dois gradientes de temperatura distintos, atingindo uma potência máxima de 43,1 μW. Tendo também sido avaliado a estabilidade do modulo em operação, em ar. Mestrado em Engenharia de Materiais