Sintesi e caratterizzazione di skutteruditi drogate con neodimio per applicazioni nel campo della termoelettricità

Abstract

Lo scopo di questo lavoro è lo studio del sistema Ndy(FexNi1-x)4Sb12 attraverso la sintesi e la caratterizzazione di vari campioni con diversi valori di x e y, in modo da indagare l’intero sistema. Il sistema considerato appartiene a una categoria di composti detti skutteruditi riempite, o filled, che presentano buone proprietà termoelettriche, e sono di conseguenza molto interessanti a livello applicativo per la realizzazione di generatori termoelettrici per heat harvesting, ossia per il recupero di calore di scarto, per ottenere energia elettrica utilizzabile. Questo rende la tecnologia termoelettrica di elevato interesse nella lotta alla crisi energetica, essendo applicabile non solo direttamente alla produzione di energia in una vasta gamma di situazioni, bensì anche all’accoppiamento con altri tipi di generatori, come generatori termici o fotovoltaici, per aumentarne l’efficienza. Il sistema considerato inoltre è costituito principalmente da elementi molto abbondanti e relativamente poco costosi, come ferro, nichel e antimonio, nell’ottica di una produzione su larga scala. Questo lavoro si è svolto presso il Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università degli Studi di Genova, ed è consistito nella sintesi di quattordici campioni a diverse composizioni appartenenti al sistema indagato, e nella loro successiva caratterizzazione tramite le seguenti tecniche: microscopia ottica ed elettronica per la caratterizzazione morfologica del campione, EDS (energy dispersive spectrometry) per l’analisi elementare, diffrattometria a raggi X su polveri e affinamento Rietveld per l’analisi strutturale e composizionale, analisi termica tramite calorimetria a scansione differenziale per misurare la stabilità termica del sistema, e misura del coefficiente di Seebeck a temperatura ambiente, come indice dei portatori di carica principali nel materiale.

The objective of this work is the study of the system Ndy(FexNi1-x)4Sb12 via the synthesis and characterization of various samples with different values of x and y, so as to study the whole system. The system belongs to a family of compounds called filled skutterudites, which present good thermoelectric properties, and are therefore very interesting for the realization of thermoelectric generators for heat harvesting, that is the recovery of waste heat to be turned into usable electric energy. This makes thermoelectric technology of high interest in the fight against the energy crisis, by being usable not only directly for energy production in a vast array of situations, but also for coupling with other kinds of generators, such as thermal or fotovoltaic ones, to improve their efficiency. Moreover, the studied system is mainly composed of abundant and relatively cheap elements, such as iron, nickel and antimony, suitable for large scale production. This work was carried out at the Department of Chemistry and Industrial Chemistry of the University of Genoa, and consisted in the synthesis and characterization of fourteen samples of different composition belonging to the mentioned system, and in their subsequent characterization via the following techniques: optical and electron microscopy for the morfological characterization of the sample, EDS (energy dispersive spectrommetry) for elemental analysis, powder X-ray diffractometry and Rietveld refinement for structural and compositional characterization, thermal analysis via differential scanning calormetry to study the thermal stability of the system, and measue of the Seebeck coefficient at room temperature, as an indication of the main charge carriers in the material.