26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Potenziamento dell'energia termoelettrica con i nanoribboncini ceramici: una nuova strada per le cobalto-calcio ad alte prestazioni
La ricerca di nuovi modi per utilizzare l'energia in modo efficiente e far progredire le tecnologie sostenibili è un tema centrale del nostro tempo. I materiali in grado di convertire il calore direttamente in energia elettrica - i cosiddetti materiali termoelettrici - sono quindi sempre più sotto i riflettori. I composti ceramici a base di cobalto di calcio sono considerati particolarmente promettenti, in quanto robusti, resistenti alle alte temperature ed efficienti nelle loro prestazioni.
Nel campo dei materiali termoelettrici ad alta temperatura, la realizzazione di microstrutture anisotrope nelle ceramiche policristalline è una strategia chiave per aumentare la Conduttività elettrica (SBA)La conducibilità elettrica è una proprietà fisica che indica la capacità di un materiale di consentire il trasporto di una carica elettrica.conduttività elettrica e sopprimere il trasporto termico.
Ma come migliorare ulteriormente questi materiali? Un gruppo di ricercatori ha ora sviluppato un approccio completamente nuovo per migliorare in modo significativo le proprietà di questi composti, compiendo così un passo importante verso una generazione di energia più pulita.
Il recente studio pubblicato sul Journal of the American Ceramic e intitolato "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", presenta un approccio innovativo a questa sfida.
Dai nanoribbons alle ceramiche ad alte prestazioni
I ricercatori dell'Università Leibniz di Hannover e del Technion - Israel Institute of Technology hanno combinato con successo l'elettrofilatura con la SinterizzazioneLa sinterizzazione è un processo di produzione per la formazione di un corpo meccanicamente resistente a partire da una polvere ceramica o metallica. sinterizzazione sequenziale al plasma a scintilla (SPS) e la testurizzazione al plasma a scintilla senza bordi (SPT). Questa strategia di lavorazione è stata presentata in un blog precedente, dove è stata applicata a ceramiche a base di polvere CCO.
L'innovazione chiave di questo progetto è l'uso di nanoribbons elettrofilati come materiale di partenza per la creazione di ceramiche a base di cobalto di calcio (Ca₃Co₄O₉, CCO) altamente strutturate.
Questi precursori monodimensionali sono intrinsecamente anisotropi e presentano già un orientamento dei grani allineato. Una volta sinterizzata e testurizzata utilizzando l'approccio combinato SPS + SPT, la cobaltite risultante ha una microstruttura densamente impacchettata, simile a un muro di mattoni, un allineamento migliorato per un efficiente trasporto di carica in piano e una ridotta Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica dovuta alla diffusione dei foni ai confini dei grani testurizzati.
A 1073 K, questo promettente materiale termoelettrico ha raggiunto una cifra di merito ZT = 0,53, che è tra i valori più alti riportati per il CCO policristallino.
NETZSCH Analizzatori termici che consentono una valutazione accurata delle proprietà termoelettriche
Il laboratorio NETZSCH Analyzing & Testing ha contribuito con misure essenziali per questo lavoro, misurando la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, utilizzando l'apparato NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash, e la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp) con il NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Calorimetro differenziale a scansione.
Entrambi i dati hanno permesso di calcolare con precisione i valori di Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica (λ) e ZT, fornendo una visione diretta dell'effetto della nanostrutturazione sul trasporto termico.
Questo studio evidenzia come i blocchi ceramici pre-strutturati e anisotropi possano migliorare significativamente le proprietà termoelettriche dei materiali ossidi. La sinergia tra sintesi innovativa e caratterizzazione termica precisa apre la strada a nuove tecnologie di raccolta dell'energia basate su ceramiche stabili e ad alte prestazioni.
Ringraziamenti
Questo lavoro è il risultato di una collaborazione tra l'Istituto di Chimica Fisica ed Elettrochimica dell'Università Leibniz di Hannover (Germania) e il Dipartimento di Ingegneria Chimica Wolfson, in collaborazione con il Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) del Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israele), in collaborazione con NETZSCH Analyzing & Testing.
Siamo lieti di aver contribuito a questa ricerca fornendo competenze di analisi termica e strumentazione per la caratterizzazione precisa delle proprietà termofisiche.
Il finanziamento ad accesso libero per questa pubblicazione è stato consentito e organizzato da Projekt DEAL.
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