26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
A termoelektromos teljesítmény fokozása nanoszalag-kerámiákkal - Új út a nagy teljesítményű kalcium-kobaltitok felé
Az energia hatékony felhasználásának és a fenntartható technológiák fejlesztésének új módszerei korunk egyik központi témája. A hőt közvetlenül elektromos energiává alakítani képes anyagok - az úgynevezett termoelektromos anyagok - ezért egyre inkább a figyelem középpontjába kerülnek. A kalcium-kobaltit alapú kerámiavegyületek különösen ígéretesnek számítanak, mivel robusztusak, ellenállnak a magas hőmérsékletnek és hatékonyak a teljesítményükben.
A magas hőmérsékletű termoelektromos anyagok területén a polikristályos kerámiák anizotróp mikroszerkezetének kialakítása kulcsfontosságú stratégia az Elektromos vezetőképesség (SBA)Az elektromos vezetőképesség egy olyan fizikai tulajdonság, amely az anyag azon képességét jelzi, hogy lehetővé teszi az elektromos töltés továbbítását.elektromos vezetőképesség növelésére, miközben elnyomja a hőszállítást.
De hogyan lehet ezeket az anyagokat továbbfejleszteni? Egy kutatócsoport most egy teljesen új megközelítést dolgozott ki e vegyületek tulajdonságainak jelentős javítására, és ezzel fontos lépést tett a tisztább energiatermelés felé.
A Journal of the American Ceramic című folyóiratban nemrégiben megjelent, "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing" (Nagy teljesítményű termoelektromos kalcium-kobaltit nanoszalag kerámia elektrospinning és kettős szikra plazma textúrázással) című tanulmány innovatív megközelítést mutat be erre a kihívásra.
A nanoszalagoktól a nagy teljesítményű kerámiákig
A hannoveri Leibniz Egyetem és a Technion - Izraeli Technológiai Intézet kutatói sikeresen kombinálták az elektrospinninget a szekvenciális szikraplazma-szinterezéssel (SPS) és a szikraplazma-textúrázással (SPT). Ezt a feldolgozási stratégiát korábban egy korábbi blogban már bemutatták, ahol CCO por alapú kerámiákra alkalmazták.
A projekt legfontosabb újítása az elektrospunázott nanoszalagok felhasználása kiindulási anyagként nagy textúrájú kalcium-kobaltit (Ca₃Co₄O₉, CCO) kerámiák előállításához.
Ezek az egydimenziós prekurzorok eredendően anizotrópok, és már igazított szemcseorientációt mutatnak. A kombinált SPS + SPT megközelítéssel történő szinterezést és textúrázást követően a keletkező kobaltit sűrűn tömörített, téglafalszerű mikroszerkezetet, a hatékony síkbeli töltésszállítás érdekében javított igazodást, valamint a textúrázott szemcsehatárokon a fononszórás miatt csökkentett hővezető képességet mutat.
Ez az ígéretes termoelektromos anyag 1073 K hőmérsékleten ZT = 0,53 értéket ért el, ami a polikristályos CCO esetében a legmagasabb értékek közé tartozik.
NETZSCH Termikus analizátorok a termoelektromos tulajdonságok pontos értékeléséhez
A NETZSCH Analyzing & Testing laboratórium alapvető mérésekkel járult hozzá a munkához: a NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash lézerflash készülékkel a hődiffúziós képességet, valamint a NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® differenciál pásztázó kaloriméterrel a fajlagos hőkapacitást (Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.cp) mérték.
Mindkét adat lehetővé tette a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség (λ) és a ZT értékek pontos kiszámítását, közvetlen betekintést nyújtva a nanostrukturálásnak a hőtranszportra gyakorolt hatásába.
Ez a tanulmány rávilágít arra, hogy az előre strukturált, anizotróp kerámia építőelemek hogyan képesek jelentősen javítani az oxidanyagok termoelektromos tulajdonságait. Az innovatív szintézis és a precíz termikus jellemzés közötti szinergia megnyitja az utat a stabil, nagy teljesítményű kerámiákon alapuló új energiagyűjtő technológiák előtt.
Köszönetnyilvánítás
Ez a munka a Leibniz University Hannover (Németország) Fizikai Kémiai és Elektrokémiai Intézete és a Wolfson Vegyészmérnöki Tanszék együttműködésének eredménye, a Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Izrael) Nancy & Stephan Grand Technion Energy Programjával (GTEP) együttműködve, a NETZSCH Analyzing & Testing vállalattal közösen.
Örömünkre szolgál, hogy a termofizikai tulajdonságok pontos jellemzéséhez szükséges termoanalitikai szakértelem és műszerek biztosításával hozzájárultunk ehhez a kutatáshoz.
A publikáció nyílt hozzáférésű finanszírozását a Projekt DEAL tette lehetővé és szervezte meg.
További információ a NETZSCH DSC és LFA műszerek magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz
