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Publicação
Tetrahedrites for Thermoelectric Applications Data Mining Insights and Copper substitution Strategies for Stable High-Performance Tetrahedrites
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Compounds with the general formula Cu12-xMxSb4S13 (M = transitional metal), known as tetrahedrites, are promising thermoelectric materials due to their earth-abundant elemental composition and intrinsically low thermal conductivity. In base-metal extractive metallurgy (e.g., copper and zinc), mineral tetrahedrite is typically discarded as waste; reclaiming this sulphosalt offers a direct route to upcycling gangue minerals into thermoelectric devices.
Although numerous studies report Cu-substituted tetrahedrites with relatively high dimensionless figure of merit (zT), a consolidated analysis to guide future research has been lacking. This work presents a comprehensive review of the thermoelectric behaviour of bulk synthetic tetrahedrites produced by powder-processing routes (mechanochemical synthesis followed by pressure-assisted sintering). A dataset exceeding 8,000 data points has been compiled from 60 publications—extracted using manual and AI-assisted methods—covering Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, zT and processing metadata. The influence of substitution elements and sintering techniques on transport properties was assessed.
In addition, the role of Cu substitution in enhancing thermal stability has been investigated, focusing on mitigating oxidation and sulphur volatilization under service conditions (350 ºC in air). A systematic screening of a tetrahedrite series with M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Zr, Nb, Mo, and W, was conducted using thermal gravimetry, X-ray diffraction, and electron microscopy. Zn- and Ni-doped samples exhibited the most stable behaviour, and, under well-sintered conditions, achieved record zT values of ≈1.5 at 350 °C.
Overall, the present results indicate that dopant choice is less critical than commonly assumed in the literature, while sintering parameters likely play a more significant role in determining the thermoelectric behaviour of bulk synthetic tetrahedrites.
Compostos com a formula química geral de Cu12-xMxSb4S13 (M= metal de transição), conhecidas como tetraedrites, são materiais termoelétricos promissores devido à sua composição abundante e à baixa condutividade térmica intrínseca. Durante a extração de metais (ex. cobre e zinco), minério de tetraedrite é típicamente descartado; reaproveitar este sulfosal oferece uma rota direta para transformar rejeito minério em dispositivos termoelétricos. Embora um grande número de estudos sobre tetraedrites substituídas nas posições do cobre tenha aumentado, com relativamente altas figuras de mérito termoelétrico (zT) ,nenhum esforço significativo foi feito para consolidar este conhecimento para orientar investigações futuras. Este trabalho apresenta um estudo sistemático de tetraedrites obtidas por técnicas de processamento de pós (sintese mecaninoquímica seguida de sinterização assistida por pressão). Um conjunto de mais de 8 000 pontos, extraídos de 60 publicações, foi adquirido através de ferramentas manuais e de inteligência artificial. O coeficiente de Seebeck, a condutividade elétrica, a condutividade térmica e o zT foram então comparados com os elementos de substituição e das técnicas de compactação. Os resultados sugerem que a escolha dos elementos é menos críticas do que se supunha, sugerindo que as inconsistências observadas na literatura possam estar relacionadas à complexidade dos processos de sinterização e recozimento. Além da análise de dados, este trabalho aborda a instabilidade térmica das tetraedrites, tipicamente causada por oxidação e volatilização do enxofre em condições de operação (350 °C em ar). Um estudo sistemático sobre a série com M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Zr, Nb, Mo, and W foi avaliada por DSC–TG, DRX e SEM/STEM. Amostras dopadas com Zn e Ni obtiveram os resultados mais promissores. Para monitorizar os mecanismos de decomposição e oxidação em condições de operação, DRX in-situ em altas temperaturas foi utilizada. As medidas termoelétricas das amostras sinterizadas atingiram valores recordes de zT de ≈ 1,5 a 350°C. Em geral, os presentes resultados indicam que a escolha do elementos dopante é menos crítica do que antes assumido na literature, sendo que os parâmetros de sinterização podem ter um maior impacto no comportamento termoéletrico das tetraedrites sintéticas.
Compostos com a formula química geral de Cu12-xMxSb4S13 (M= metal de transição), conhecidas como tetraedrites, são materiais termoelétricos promissores devido à sua composição abundante e à baixa condutividade térmica intrínseca. Durante a extração de metais (ex. cobre e zinco), minério de tetraedrite é típicamente descartado; reaproveitar este sulfosal oferece uma rota direta para transformar rejeito minério em dispositivos termoelétricos. Embora um grande número de estudos sobre tetraedrites substituídas nas posições do cobre tenha aumentado, com relativamente altas figuras de mérito termoelétrico (zT) ,nenhum esforço significativo foi feito para consolidar este conhecimento para orientar investigações futuras. Este trabalho apresenta um estudo sistemático de tetraedrites obtidas por técnicas de processamento de pós (sintese mecaninoquímica seguida de sinterização assistida por pressão). Um conjunto de mais de 8 000 pontos, extraídos de 60 publicações, foi adquirido através de ferramentas manuais e de inteligência artificial. O coeficiente de Seebeck, a condutividade elétrica, a condutividade térmica e o zT foram então comparados com os elementos de substituição e das técnicas de compactação. Os resultados sugerem que a escolha dos elementos é menos críticas do que se supunha, sugerindo que as inconsistências observadas na literatura possam estar relacionadas à complexidade dos processos de sinterização e recozimento. Além da análise de dados, este trabalho aborda a instabilidade térmica das tetraedrites, tipicamente causada por oxidação e volatilização do enxofre em condições de operação (350 °C em ar). Um estudo sistemático sobre a série com M = Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zn, Zr, Nb, Mo, and W foi avaliada por DSC–TG, DRX e SEM/STEM. Amostras dopadas com Zn e Ni obtiveram os resultados mais promissores. Para monitorizar os mecanismos de decomposição e oxidação em condições de operação, DRX in-situ em altas temperaturas foi utilizada. As medidas termoelétricas das amostras sinterizadas atingiram valores recordes de zT de ≈ 1,5 a 350°C. Em geral, os presentes resultados indicam que a escolha do elementos dopante é menos crítica do que antes assumido na literature, sendo que os parâmetros de sinterização podem ter um maior impacto no comportamento termoéletrico das tetraedrites sintéticas.
Descrição
Palavras-chave
Thermoelectric properties Tetrahedrites Data mining Doping Thermal stability