26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Lämpösähköisen tehon lisääminen nanonauhakeramiikalla - uusi reitti korkean suorituskyvyn kalsiumkobaliitteihin
Uusien tapojen etsiminen energian tehokkaaseen käyttöön ja kestävän teknologian kehittämiseen on aikamme keskeinen aihe. Niin sanotut lämpösähköiset materiaalit, jotka pystyvät muuntamaan lämpöä suoraan sähköenergiaksi, ovat siksi yhä enemmän esillä. Kalsiumkobaliittiin perustuvia keraamisia yhdisteitä pidetään erityisen lupaavina, sillä ne ovat kestäviä, kestävät korkeita lämpötiloja ja toimivat tehokkaasti.
Korkean lämpötilan lämpösähköisten materiaalien alalla anisotrooppisten mikrorakenteiden aikaansaaminen monikiteisissä keraamisissa on keskeinen strategia sähkönjohtavuuden lisäämiseksi ja samalla lämpökuljetuksen estämiseksi.
Mutta miten näitä materiaaleja voidaan edelleen parantaa? Tutkimusryhmä on nyt kehittänyt täysin uuden lähestymistavan, jolla näiden yhdisteiden ominaisuuksia voidaan parantaa merkittävästi ja ottaa näin tärkeä askel kohti puhtaampaa energiantuotantoa.
Journal of the American Ceramic -lehdessä julkaistussa tuoreessa tutkimuksessa "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing" esitellään innovatiivinen lähestymistapa tähän haasteeseen.
Nanonauhoista korkean suorituskyvyn keramiikkaan
Hannoverin Leibnizin yliopiston ja Technionin (Israelin teknologiainstituutti) tutkijat yhdistivät onnistuneesti elektrospinningin ja peräkkäisen kipinäplasmasintrauksen (SPS) sekä reunattoman kipinäplasmateksturoinnin (SPT). Tämä käsittelystrategia esiteltiin aiemmin aiemmassa blogissa, jossa sitä sovellettiin CCO-jauhepohjaiseen keramiikkaan.
Tämän hankkeen keskeinen innovaatio on sähkökehrättyjen nanonauhojen käyttö lähtömateriaalina erittäin teksturoitujen kalsiumkobaliittikeramiikoiden (Ca₃Co₄O₉, CCO) luomiseksi.
Nämä yksiulotteiset esiasteet ovat luonnostaan anisotrooppisia, ja niissä on jo valmiiksi suuntautunut raesuuntaus. Kun kobalttiitti on sintrattu ja teksturoitu yhdistetyllä SPS + SPT -menetelmällä, tuloksena syntyvä kobalttiitti on tiiviisti pakattu, tiiliseinämäinen mikrorakenne, sen suuntaus on tehostunut, mikä mahdollistaa tehokkaan varauksen kuljettamisen tasossa, ja sen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on alentunut fononien sironnan vuoksi teksturoiduilla raerajoilla.
Tämä lupaava lämpösähköinen materiaali saavutti 1073 K:n lämpötilassa arvoluvun ZT = 0,53, joka on yksi korkeimmista monikiteiselle CCO:lle ilmoitetuista arvoista.
NETZSCH Lämpöanalysaattorit, jotka mahdollistavat lämpösähköisten ominaisuuksien tarkan arvioinnin
NETZSCH Analyzing & Testing -laboratorio osallistui tämän työn kannalta olennaisiin mittauksiin mittaamalla lämpödiffuusiokykyä NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash -laitteella ja ominaislämpökapasiteettia (Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp) NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Differentiaalipyyhkäisykalorimetrillä.
Molemmat tiedot mahdollistivat lämmönjohtavuuden (λ) ja ZT-arvojen tarkan laskennan, jolloin saatiin suora käsitys nanorakenteiden vaikutuksesta lämmönkuljetukseen.
Tässä tutkimuksessa korostetaan, miten esirakennetut, anisotrooppiset keraamiset rakennuspalikat voivat parantaa merkittävästi oksidimateriaalien lämpösähköisiä ominaisuuksia. Innovatiivisen synteesin ja tarkan lämpökarakterisoinnin synergia tasoittaa tietä uusille energian talteenottotekniikoille, jotka perustuvat stabiiliin, suorituskykyiseen keramiikkaan.
Kiitokset
Tämä työ on tulosta yhteistyöstä, jonka ovat toteuttaneet Hannoverin Leibnizin yliopiston (Saksa) fysikaalisen kemian ja sähkökemian instituutti ja Wolfsonin kemiantekniikan laitos yhteistyössä Technion-Israelin teknillisen instituutin (Haifa, Israel) Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) -ohjelman kanssa yhteistyössä NETZSCH Analyzing & Testingin kanssa.
Olemme tyytyväisiä, että olemme osallistuneet tähän tutkimukseen tarjoamalla lämpöanalyysiasiantuntemusta ja välineistöä termofysikaalisten ominaisuuksien tarkkaa karakterisointia varten.
Projekt DEAL mahdollisti ja järjesti tämän julkaisun avoimen saatavuuden rahoituksen.
Lisätietoja NETZSCH DSC- ja LFA-laitteet korkean lämpötilan sovelluksiin
