26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
تعزيز الطاقة الكهروحرارية باستخدام السيراميك النانوي - طريق جديد للكوبالتات الكالسيوم عالية الأداء
يعد البحث عن طرق جديدة لاستخدام الطاقة بكفاءة وتطوير تقنيات مستدامة موضوعًا محوريًا في عصرنا الحالي. ولذلك، فإن المواد القادرة على تحويل الحرارة مباشرة إلى طاقة كهربائية - ما يسمى بالمواد الكهروحرارية - أصبحت في دائرة الضوء بشكل متزايد. وتعتبر مركبات السيراميك القائمة على الكوبالتايت الكالسيوم واعدة بشكل خاص، حيث إنها قوية ومقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة وفعالة في أدائها.
في مجال المواد الكهروحرارية ذات درجات الحرارة العالية، يعد تحقيق البنى المجهرية متباينة الخواص في السيراميك متعدد الكريستالات استراتيجية رئيسية لتعزيز التوصيل الكهربائي مع كبح الانتقال الحراري.
ولكن كيف يمكن زيادة تحسين هذه المواد؟ قام فريق بحثي الآن بتطوير نهج جديد تمامًا لتعزيز خصائص هذه المركبات بشكل كبير، وبالتالي اتخاذ خطوة مهمة نحو توليد طاقة أنظف.
تقدم الدراسة الحديثة التي نُشرت في مجلة السيراميك الأمريكية بعنوان "سيراميك الكالسيوم الكوبالتايت النانوي الكهروحراري عالي الأداء من الكالسيوم الكوبالتايت النانوي عبر الغزل الكهربائي وتركيب بلازما الشرارة المزدوجة"، نهجًا مبتكرًا لهذا التحدي.
من النانوريبونات النانوية إلى السيراميك عالي الأداء
نجح باحثون من جامعة لايبنتس هانوفر ومعهد التخنيون - معهد إسرائيل للتكنولوجيا في الجمع بين الغزل الكهربائي والتلبيد المتسلسل ببلازما الشرارة (SPS) والتركيب ببلازما الشرارة الخالية من الحواف (SPT). تم عرض استراتيجية المعالجة هذه سابقًا في مدونة سابقة، حيث تم تطبيقها على السيراميك القائم على مسحوق CCO.
ويتمثل الابتكار الرئيسي لهذا المشروع في استخدام الأشرطة النانوية المغزولة كهربائيًا كمواد أولية لإنشاء سيراميك الكوبالتايت الكالسيوم عالي التركيب (Ca₃Co₄O₉، CCO).
تكون هذه السلائف أحادية البعد متباينة الخواص بطبيعتها وتُظهر بالفعل اتجاه حبيبات متناسق. وبمجرد تلبيدها وتركيبها باستخدام نهج SPS + SPT المشترك، فإن الكوبالتايت الناتج يحتوي على بنية مجهرية كثيفة ومكتظة تشبه الجدران القرميدية، ومحاذاة معززة لنقل الشحنات بكفاءة داخل المستوى، وموصلية حرارية منخفضة بسبب تشتت الفونونات عند حدود الحبيبات المتماسكة.
عند درجة حرارة 1073 كلفن، حققت هذه المادة الكهروحرارية الواعدة رقم الجدارة ZT = 0.53، وهي من بين أعلى القيم المبلغ عنها بالنسبة إلى الكريستالات المتعددة البلورات من الكريستالات CCO.
NETZSCH أجهزة التحليل الحراري التي تتيح تقييمًا دقيقًا للخصائص الكهروحرارية
وساهم مختبر NETZSCH للتحليل والاختبار في إجراء القياسات الأساسية لهذا العمل من خلال قياس الانتشار الحراري، باستخدام جهاز وميض الليزر NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash والقدرة الحرارية النوعية (cp) باستخدام جهاز المسعر المسح الضوئي التفاضلي NETZSCH DSC 404F1 Pegasus® .
مكّنت كلتا البيانات من حساب دقيق لقيم التوصيل الحراري (λ) وقيم ZT، مما يوفر نظرة ثاقبة مباشرة على تأثير الهيكلة النانوية على النقل الحراري.
تسلط هذه الدراسة الضوء على كيف يمكن للكتل البنائية الخزفية متباينة الخواص مسبقة التركيب أن تعزز بشكل كبير الخصائص الكهروحرارية لمواد الأكسيد. إن التآزر بين التركيب المبتكر والتوصيف الحراري الدقيق يمهد الطريق لتقنيات جديدة لحصاد الطاقة تعتمد على سيراميك مستقر وعالي الأداء.
شكر وتقدير
هذا العمل هو نتاج جهد تعاوني بين معهد الكيمياء الفيزيائية والكيمياء الكهربائية في جامعة لايبنتس هانوفر (ألمانيا) وقسم ولفسون للهندسة الكيميائية، بالتعاون مع برنامج نانسي وستيفان غراند تخنيون للطاقة (GTEP) في معهد تخنيون-إسرائيل للتكنولوجيا (حيفا، إسرائيل)، بالتعاون مع NETZSCH التحليل والاختبار.
يسعدنا أن نكون قد ساهمنا في هذا البحث من خلال توفير الخبرة في التحليل الحراري وأجهزة التحليل الحراري من أجل التوصيف الدقيق للخصائص الفيزيائية الحرارية.
تم تمكين تمويل الوصول المفتوح لهذا المنشور وتنظيمه من قبل Projekt DEAL.
تعرف على المزيد حول NETZSCH DSC وأجهزة LFA للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية
