26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Aumentando a energia termoelétrica com cerâmicas de nanoribras - uma nova rota para cobaltitos de cálcio de alto desempenho
A busca por novas maneiras de usar a energia de forma eficiente e avançar em tecnologias sustentáveis é um tópico central de nosso tempo. Portanto, os materiais capazes de converter calor diretamente em energia elétrica - os chamados materiais termoelétricos - estão cada vez mais em evidência. Os compostos cerâmicos à base de cobaltita de cálcio são considerados particularmente promissores, pois são robustos, resistentes a altas temperaturas e eficientes em seu desempenho.
No campo dos materiais termoelétricos de alta temperatura, a obtenção de microestruturas anisotrópicas em cerâmicas policristalinas é uma estratégia fundamental para aumentar a Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica e, ao mesmo tempo, suprimir o transporte térmico.
Mas como esses materiais podem ser aprimorados ainda mais? Uma equipe de pesquisa desenvolveu agora uma abordagem totalmente nova para aprimorar significativamente as propriedades desses compostos, dando assim um passo importante para a geração de energia mais limpa.
O estudo recente, publicado no Journal of the American Ceramic e intitulado "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", apresenta uma abordagem inovadora para esse desafio.
De nanoribbons a cerâmicas de alto desempenho
Pesquisadores da Universidade Leibniz de Hannover e do Technion - Instituto de Tecnologia de Israel combinaram com sucesso a eletrofiação com a SinterizaçãoA sinterização é um processo de produção para formar um corpo mecanicamente forte a partir de um pó cerâmico ou metálico. sinterização sequencial por plasma de faísca (SPS) e a texturização por plasma de faísca sem bordas (SPT). Essa estratégia de processamento foi apresentada em um blog anterior, onde foi aplicada à cerâmica à base de pó de CCO.
A principal inovação desse projeto é o uso de nanofitas eletrofiadas como material de partida para a criação de cerâmicas de cobaltita de cálcio (Ca₃Co₄O₉, CCO) altamente texturizadas.
Esses precursores unidimensionais são inerentemente anisotrópicos e já apresentam orientação de grãos alinhada. Uma vez sinterizada e texturizada usando a abordagem combinada SPS + SPT, a cobaltita resultante tem uma microestrutura densamente compactada, semelhante a uma parede de tijolos, um alinhamento aprimorado para transporte eficiente de carga no plano e Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica reduzida devido à dispersão de fônons nos limites de grãos texturizados.
A 1073 K, esse promissor material termoelétrico atingiu uma figura de mérito ZT = 0,53, que está entre os valores mais altos relatados para CCO policristalino.
NETZSCH Analisadores térmicos que permitem a avaliação precisa da propriedade termoelétrica
O laboratório NETZSCH Analyzing & Testing contribuiu com medições essenciais para este trabalho, medindo a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, usando o aparelho NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash, e a Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.capacidade de calor específico (Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) com o NETZSCH DSC 404F1 Pegasus® Differential Scanning Calorimeter.
Ambos os dados permitiram o cálculo preciso dos valores de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica (λ) e ZT, fornecendo uma visão direta do efeito da nanoestruturação no transporte térmico.
Este estudo destaca como os blocos de construção cerâmicos pré-estruturados e anisotrópicos podem melhorar significativamente as propriedades termoelétricas dos materiais de óxido. A sinergia entre a síntese inovadora e a caracterização térmica precisa abre caminho para novas tecnologias de coleta de energia baseadas em cerâmicas estáveis e de alto desempenho.
Agradecimentos
Este trabalho é o resultado de um esforço de colaboração entre o Instituto de Físico-Química e Eletroquímica da Universidade Leibniz de Hannover (Alemanha) e o Departamento de Engenharia Química Wolfson, em cooperação com o Programa de Energia Nancy & Stephan Grand Technion (GTEP) no Instituto de Tecnologia Technion-Israel (Haifa, Israel), em parceria com a NETZSCH Analyzing & Testing.
Estamos satisfeitos por termos contribuído para esta pesquisa, fornecendo experiência em análise térmica e instrumentação para a caracterização precisa das propriedades termofísicas.
O financiamento de acesso aberto para esta publicação foi viabilizado e organizado pelo Projekt DEAL.
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