Optimum in the thermoelectric efficiency of nanostructured Nb-doped TiO2 ceramics: from polarons to Nb–Nb dimers

Autor: Alexandre Verchère, Stéphane Daniele, Gilbert Fantozzi, Sylvie Le Floch, Shashank Mishra, Sandrine Cottrino, Shantanu Misra, Régis Debord, Christophe Candolfi, Stéphane Pailhès, Bertrand Lenoir
Přispěvatelé: Institut de recherches sur la catalyse et l'environnement de Lyon (IRCELYON), Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), (nano)Matériaux pour l'énergie (ENERGIE), Institut Lumière Matière [Villeurbanne] (ILM), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Matériaux, ingénierie et science [Villeurbanne] (MATEIS), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut Jean Lamour (IJL), Université de Lorraine (UL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Chimie, Catalyse, Polymères et Procédés, R 5265 (C2P2), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut de Chimie du CNRS (INC), IRCELYON-C'Durable (CDURABLE), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon, Université de Lyon-Université de Lyon-École supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon (CPE)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Rok vydání: 2020
Předmět:
Zdroj: Physical Chemistry Chemical Physics
Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2020, 22 (23), pp.13008-13016. ⟨10.1039/D0CP00652A⟩
ISSN: 1463-9084
1463-9076
DOI: 10.1039/d0cp00652a
Popis: International audience; Rutile is the most common and stable polymorph form of titanium oxide TiO2 at all temperatures. The doping of rutile TiO2 with a small amount of niobium is reknown for being responsible for a large increase of the electrical conductivity by several orders of magnitude, broadening its technological interest towards new emerging fields such as the thermoelectric conversion of waste heat. The electronic conduction has been found to be of a polaronic nature with strongly localized charges around the Ti3+ centers while, on the other side, the relatively high value of the thermal conductivity implies the existence of lattice heat carriers, i.e. phonons, with large mean free paths which makes the nanostructuration relevant for optimizing the thermoelectric efficiency. Here, the use of a high-pressure and high-temperature sintering technique has allowed to vary the grain size in rutile TiO2 pellets from 300 to 170 nm, leading to a significant reduction of the lattice thermal conductivity. The thermoelectric properties (electrical conductivity, Seebeck coefficient and thermal conductivity) of Nb-doped rutile nanostructured ceramics, namely NbxTi1−xO2 with x varying from 1 to 5%, are reported from room temperature to ∼900 K. With the incorporation of Nb, an optimum in the thermoelectric properties together with an anomaly on the tetragonal lattice constant c are observed for a concentration of ∼2.85%, which might be the fingerprint of the formation of short Nb dimers.
Databáze: OpenAIRE