Mieux comprendre les matériaux thermoélectriques pour améliorer leurs performances

Dans le cadre d'une coopération internationale associant chimistes, physiciens et théoriciens, des chercheurs du laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CRISMAT/CNRS/Université Caen Normandie/ENSICAEN) et de l'institut des sciences chimiques de Rennes (ISCR/CNRS/Université Rennes 1/ENSCR/INSA Rennes) ont décrit et modélisé la microstructure complexe de sulfures de cuivre synthétiques d'origine minérale, composés présentant des propriétés thermoélectriques remarquables. Ces travaux ont été publiés dans la revue Angewandte Chemie International Edition.


La génération d'électricité à partir de chaleur dissipée au moyen de modules thermoélectriques représente une voie particulièrement prometteuse de production d'énergie "verte". Au coeur des générateurs thermoélectriques, des matériaux semi-conducteurs qui, pour produire cette électricité, doivent être à la fois conducteurs électriques et isolants thermiques. Un paradoxe !! !


Les structures cristallines de sulfures de cuivre ternaires et quaternaires [voir revue citée ci-dessous] dérivés de phases minérales (Figure) permettent justement de générer à la fois une conductivité électrique élevée grâce au réseau conducteur Cu-S, et une conductivité thermique faible en raison de la complexité structurale et d'effet d'ordre/désordre.

En jouant sur la formulation du composé Cu₂MnGeS₄ dérivé de l'énargite*, les chimistes du CRISMAT ont mis au point une méthode de synthèse originale de nanocomposites constitués de nanodomaines de structures énargite et stannite** interconnectés. En combinant analyses structurales par diffraction des rayons X, diffraction par précession des électrons en mode tomographie et microscopie électronique à transmission, les scientifiques sont parvenus à décrire et modéliser la cristallochimie complexe de ces matériaux composites. Grâce à des calculs théoriques couplés à des mesures électriques et thermiques, ils ont pour la première fois mis en évidence les liens qui existent entre la structure, la microstructure et les propriétés thermoélectriques de ces composés. Résultats qui offrent de nouvelles perspectives pour le développement de matériaux sulfures thermoélectriques plus performants.

Référence:

V. Pavan Kumar, S. Passuti, B. Zhang, S. Fujii, K. Yoshizawa, P. Boullay, S. Le Tonquesse; C. Prestipino, B. Raveau, P. Lemoine, A. Paecklar, N. Barrier, X. Zhou, M. Yoshiya, K. Suekuni & E. Guilmeau.
Engineering Transport Properties in Interconnected Enargite-Stannite type Cu_2+xMn_1-xGeS₄ Nanocomposites
Angewandte Chemie Int. Ed. 2022
https://doi.org/10.1002/anie.202210600

P. Lemoine, G. Guélou, B. Raveau, E. Guilmeau.
Crystal structure classification of copper-based sulphides as a tool for the design of inorganic functional materials (Review)
Angewandte Chemie Int. Ed. 61, e202108686, 2021
https://doi.org/10.1002/anie.202108686

Contacts:

- Emmanuel Guilmeau - Chercheur au laboratoire de cristallographie et sciences des matériaux (CNRS/Université Caen Normandie/ENSICAEN) - emmanuel.guilmeau@ensicaen.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS - inc.communication@cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette -Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette@cnrs.fr
- Christophe Cartier dit Moulin - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication scientifique de l'INC - inc.communication@cnrs.fr