26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Øget termoelektrisk effekt med nanobåndkeramik - en ny vej til højtydende kalciumkobaltit
Søgningen efter nye måder at bruge energi effektivt på og fremme bæredygtige teknologier er et centralt emne i vores tid. Materialer, der er i stand til at omdanne varme direkte til elektrisk energi - såkaldte termoelektriske materialer - er derfor i stigende grad i søgelyset. Keramiske forbindelser baseret på calciumkobaltit anses for at være særligt lovende, da de er robuste, modstandsdygtige over for høje temperaturer og effektive i deres ydeevne.
Inden for termoelektriske materialer til høje temperaturer er opnåelse af anisotrope mikrostrukturer i polykrystallinsk keramik en vigtig strategi for at øge den elektriske ledningsevne og samtidig undertrykke den termiske transport.
Men hvordan kan disse materialer forbedres yderligere? Et forskerhold har nu udviklet en helt ny metode til at forbedre egenskaberne ved disse forbindelser betydeligt og dermed tage et vigtigt skridt i retning af renere energiproduktion.
Den nylige undersøgelse, der blev offentliggjort i Journal of the American Ceramic med titlen "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", præsenterer en innovativ tilgang til denne udfordring.
Fra nanoribber til højtydende keramik
Forskere fra Leibniz University Hannover og Technion - Israel Institute of Technology har med succes kombineret elektrospinning med sekventiel gnistplasmasintring (SPS) og kantfri gnistplasmatexturering (SPT). Denne behandlingsstrategi er tidligere blevet præsenteret i en tidligere blog, hvor den blev anvendt på CCO-pulverbaseret keramik.
Den vigtigste nyskabelse i dette projekt er brugen af elektrospundne nanoribber som udgangsmateriale til at skabe stærkt tekstureret calciumkobaltit (Ca₃Co₄O₉, CCO) keramik.
Disse endimensionelle forstadier er i sagens natur anisotrope og udviser allerede justeret kornorientering. Når de er sintret og struktureret ved hjælp af den kombinerede SPS + SPT-tilgang, har den resulterende cobaltit en tætpakket, murstenslignende mikrostruktur, en forbedret tilpasning til effektiv ladningstransport i planet og reduceret Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne på grund af fononspredning ved strukturerede korngrænser.
Ved 1073 K opnåede dette lovende termoelektriske materiale en værdi på ZT = 0,53, hvilket er blandt de højeste værdier, der er rapporteret for polykrystallinsk CCO.
NETZSCH Termiske analysatorer giver mulighed for nøjagtig evaluering af termoelektriske egenskaber
Laboratoriet NETZSCH Analyzing & Testing bidrog med vigtige målinger til dette arbejde ved at måle Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet ved hjælp af NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash-apparat og Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) med NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Differential Scanning Calorimeter.
Begge data muliggjorde nøjagtig beregning af Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne (λ) og ZT-værdier, hvilket giver direkte indsigt i effekten af nanostrukturering på varmetransport.
Denne undersøgelse fremhæver, hvordan præstrukturerede, anisotrope keramiske byggesten kan forbedre oxidmaterialers termoelektriske egenskaber betydeligt. Synergien mellem innovativ syntese og præcis termisk karakterisering baner vejen for nye energihøstningsteknologier baseret på stabil, højtydende keramik.
Taknemmelighed
Dette arbejde er resultatet af et samarbejde mellem Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry ved Leibniz University Hannover (Tyskland) og Wolfson Department of Chemical Engineering i samarbejde med Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) ved Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israel), i samarbejde med NETZSCH Analyzing & Testing.
Vi er glade for at have bidraget til denne forskning ved at levere ekspertise inden for termisk analyse og instrumenter til præcis karakterisering af termofysiske egenskaber.
Open access-finansiering til denne publikation blev muliggjort og organiseret af Projekt DEAL.
Læs mere om NETZSCH DSC- og LFA-instrumenter til applikationer med høj temperatur
