26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Thermo-elektrisch vermogen opvoeren met nanorkoolstofkeramiek - een nieuwe weg naar hoogwaardige calciumkobaltieten
De zoektocht naar nieuwe manieren om energie efficiënt te gebruiken en duurzame technologieën te bevorderen is een centraal thema in onze tijd. Materialen die warmte rechtstreeks kunnen omzetten in elektrische energie - zogenaamde thermo-elektrische materialen - staan daarom steeds meer in de belangstelling. Keramische verbindingen op basis van calciumkobaltiet worden als bijzonder veelbelovend beschouwd, omdat ze robuust zijn, bestand tegen hoge temperaturen en efficiënt presteren.
Op het gebied van thermo-elektrische materialen voor hoge temperaturen is het bereiken van anisotrope microstructuren in polykristallijne keramiek een belangrijke strategie om de elektrische geleiding te verbeteren en tegelijkertijd thermisch transport te onderdrukken.
Maar hoe kunnen deze materialen verder worden verbeterd? Een onderzoeksteam heeft nu een geheel nieuwe benadering ontwikkeld om de eigenschappen van deze verbindingen aanzienlijk te verbeteren en zo een belangrijke stap te zetten in de richting van schonere energieopwekking.
Het recente onderzoek, gepubliceerd in het Journal of the American Ceramic en getiteld "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", presenteert een innovatieve benadering van deze uitdaging.
Van nanokristallen tot hoogwaardige keramiek
Onderzoekers van de Leibniz Universität Hannover en het Technion - Israel Institute of Technology combineerden met succes electrospinning met sequentieel vonkplasmasinteren (SPS) en randvrij vonkplasma textureren (SPT). Deze verwerkingsstrategie werd eerder gepresenteerd in een eerdere blog, waar het werd toegepast op keramiek op basis van CCO-poeder.
De belangrijkste innovatie van dit project is het gebruik van elektrogesponnen nanobanden als uitgangsmateriaal voor het maken van sterk getextureerde calciumkobaltietkeramiek (Ca₃Co₄O₉, CCO).
Deze eendimensionale precursors zijn inherent anisotroop en vertonen al uitgelijnde korreloriëntatie. Eenmaal gesinterd en getextureerd met behulp van de gecombineerde SPS + SPT aanpak, heeft het resulterende kobaltiet een dicht opeengepakte, baksteen-muur-achtige microstructuur, een verbeterde uitlijning voor efficiënt in-plane ladingstransport en een verminderde Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid door fononverstrooiing bij getextureerde korrelgrenzen.
Bij 1073 K bereikte dit veelbelovende thermo-elektrische materiaal een getal van verdienste ZT = 0,53, een van de hoogste waarden voor polykristallijn CCO.
NETZSCH Thermische analysers voor nauwkeurige evaluatie van thermo-elektrische eigenschappen
Het laboratorium NETZSCH Analyzing & Testing leverde essentiële metingen voor dit werk door de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie te meten met het NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash-apparaat en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) met de NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Differential Scanning Calorimeter.
Beide gegevens maakten een nauwkeurige berekening van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (λ) en ZT-waarden mogelijk, wat direct inzicht geeft in het effect van nanostructurering op thermisch transport.
Dit onderzoek laat zien hoe voorgestructureerde, anisotrope keramische bouwstenen de thermo-elektrische eigenschappen van oxidematerialen aanzienlijk kunnen verbeteren. De synergie tussen innovatieve synthese en nauwkeurige thermische karakterisering maakt de weg vrij voor nieuwe technologieën voor het oogsten van energie op basis van stabiele, hoogwaardige keramiek.
Erkenningen
Dit werk is het resultaat van een samenwerking tussen het Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry van de Leibniz University Hannover (Duitsland) en het Wolfson Department of Chemical Engineering, in samenwerking met het Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) van het Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israël), in samenwerking met NETZSCH Analyzing & Testing.
We zijn blij dat we aan dit onderzoek hebben bijgedragen door expertise op het gebied van thermische analyse en instrumentatie te leveren voor de nauwkeurige karakterisering van thermofysische eigenschappen.
Open access financiering voor deze publicatie werd mogelijk gemaakt en georganiseerd door Projekt DEAL.
Meer informatie over NETZSCH DSC- en LFA-instrumenten voor toepassingen bij hoge temperaturen
