Dissertação

{en_GB=New Sulfides for Thermoelectric Applications} {} EVALUATED

{pt=Os materiais termoelétricos atualmente comercializados contêm elementos raros, caros e tóxicos, sendo necessário alternativas baratas, abundantes e sustentáveis, tais como alguns sulfuretos metálicos. Este projeto consiste na preparação de FeS2 (pirite), NiS2 (vaesite) e CoSbS (paracostibite), por técnicas de reação no estado sólido, prensagem a quente e tratamento térmico. Também foram preparadas pirite e paracostibite com modificações na composição química. Foi realizada a caraterização da estrutura cristalina, composição química, estabilidade térmica, estrutura eletrónica e propriedades de transporte elétrico. Foram obtidas pirite e vaesite monofásicas. A paracostibite contém pequenas quantidades de β -CoS, persistindo após tratamento térmico. Foram alcançadas densidades relativas elevadas (>90%). Para diferentes condições de consolidação, não foram detetadas distorções significativas na estrutura cristalina. Contudo, estas aumentaram com a modificações da composição inicial. Foi verificada uma forte dessulfurização acima de 340ºC na pirite e vaesite, e 800ºC na paracostibite. O poder termoelétrico negativo da pirite contradiz os cálculos ab-initio, que indicam semiconductividade tipo-p. Foi obtido um fator de potência (α2/ρ) de 0.2 µWK-2m-1, a 300K, para a pirite pura e 105.5 µWK-2m-1 para a pirite com cobalto e selénio. A estrutura de bandas da vaesite, típica de um metal, contraria os resultados experimentais. Foi obtido um α2/ρ (300K) de 14.1 µWK-2m-1. Foi medido um α2/ρ de 72 µWK-2m-1, para a paracostibite com níquel. O poder termoelétrico negativo também contraria os cálculos ab-initio, que sugerem semiconductividade tipo-p. Estes resultados são um bom ponto de partida para uma futura melhoria das propriedades termoelétricas, através da otimização da composição inicial e microestrutura., en=Current commercially available thermoelectric materials contain rare, expensive and toxic elements, demanding for new, cheap, abundant and environment-friendly alternatives, such as some metal sulfides. This work consists in the preparation of FeS2 (pyrite), NiS2 (vaesite) and CoSbS (paracostibite), by solid state techniques at high temperatures followed by hot-pressing, and heat treatment. Pyrite and paracostibite with modified chemical compositions were also prepared. The crystal structure, chemical composition, thermal stability, electronic band structure and transport properties were characterized. Single phase pyrite and vaesite were obtained. Paracostibite had smaller amounts of β-CoS, even after heat-treatment. High relative densities were achieved (>90%). No significant lattice distortions were detected for different hot-pressing conditions. However, modifications of the initial composition promoted lattice disorder. Thermogravimetric analysis showed a strong desulfurization above 340ºC for pyrite and vaesite, and 800ºC for paracostibite. The negative Seebeck coefficient in pyrite, suggesting n-type semiconductivity, contradicts first-principle calculations (p-type). A maximum power factor (300K) of 0.2 µWK-2m-1 was obtained for pristine pyrite, and 105.5 µWK-2m-1 for pyrite with Co and Se. DFT calculations of vaesite electronic structure suggest metallic behaviour, whereas experimental results showed n-type semiconductivity. A maximum power factor (300K) was 14.1 µWK-2m-1 was obtained. Paracostibite reached a maximum power factor (300K) of 72 µWK-2m-1, when Ni is added to the composition. Its negative Seebeck coefficient also contradicts DFT calculations, that suggest p-type semiconductivity. These results are a good starting point for further improvement of the thermoelectric properties, with a proper optimization of the chemical composition and microstructure.}
{pt=Materiais termoelétricos, sulfuretos, pirite, vaesite, paracostibite, fator de potência, en=Thermoelectric materials, sulfides, pyrite, vaesite, paracostibite, power factor}

Junho 24, 2019, 15:0

Orientação

ORIENTADOR

Elsa Maria Simões Branco Lopes

Departamento de Engenharia e Ciências Nucleares (DECN)

Investigador Auxiliar

ORIENTADOR

António Cândido Lampreia Pereira Gonçalves

Departamento de Química, Instituto Tecnológico e Nuclear

Investigador Coordenador