26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Creșterea puterii termoelectrice cu ajutorul ceramicii Nanoribbon - o nouă cale către cobaltitele de calciu cu performanțe ridicate
Căutarea de noi modalități de utilizare eficientă a energiei și de dezvoltare a tehnologiilor durabile este un subiect central al timpului nostru. Prin urmare, materialele capabile să convertească căldura direct în energie electrică - așa-numitele materiale termoelectrice - sunt din ce în ce mai mult în centrul atenției. Compușii ceramici pe bază de cobaltită de calciu sunt considerați deosebit de promițători, deoarece sunt rezistenți, rezistenți la temperaturi ridicate și eficienți în performanțele lor.
În domeniul materialelor termoelectrice de înaltă temperatură, realizarea de microstructuri anizotrope în ceramica policristalină este o strategie cheie pentru creșterea conductivității electrice, suprimând în același timp transportul termic.
Dar cum pot fi îmbunătățite în continuare aceste materiale? O echipă de cercetători a dezvoltat acum o abordare complet nouă pentru a spori semnificativ proprietățile acestor compuși, făcând astfel un pas important către generarea de energie mai curată.
Studiul recent publicat în Journal of the American Ceramic și intitulat "High-performance thermoelectric calcium cobaltite nanoribbon ceramic via electrospinning and dual spark plasma texturing", prezintă o abordare inovatoare a acestei provocări.
De la nanoribboni la ceramică de înaltă performanță
Cercetătorii de la Leibniz University Hannover și Technion - Israel Institute of Technology au combinat cu succes electrofilarea cu sinterizarea secvențială cu plasmă cu scântei (SPS) și texturarea fără margini cu plasmă cu scântei (SPT). Această strategie de prelucrare a fost prezentată anterior într-un blog anterior, unde a fost aplicată ceramicii pe bază de pulbere CCO.
Principala inovație a acestui proiect este utilizarea nanoruburilor electrofilate ca materie primă pentru crearea de ceramică de cobaltită de calciu (Ca₃Co₄O₉, CCO) foarte texturată.
Acești precursori unidimensionali sunt inerent anizotropi și prezintă deja o orientare aliniată a granulelor. Odată sinterizată și texturată utilizând abordarea combinată SPS + SPT, cobaltita rezultată are o microstructură dens compactă, de tip zid de cărămidă, o aliniere îmbunătățită pentru transportul eficient al sarcinilor în plan și o conductivitate termică redusă datorită împrăștierii fononilor la limitele granulelor texturate.
La 1073 K, acest material termoelectric promițător a obținut o cifră de merit ZT = 0,53, care se numără printre cele mai mari valori raportate pentru CCO policristalin.
NETZSCH Analizoare termice care permit evaluarea precisă a proprietăților termoelectrice
Laboratorul NETZSCH Analyzing & Testing a contribuit cu măsurători esențiale pentru această lucrare prin măsurarea difuzivității termice, utilizând aparatul NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash, și a capacității termice specifice (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp) cu ajutorul NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® Differential Scanning Calorimeter.
Ambele date au permis calcularea exactă a valorilor conductivității termice (λ) și ZT, oferind o perspectivă directă asupra efectului nanostructurării asupra transportului termic.
Acest studiu evidențiază modul în care blocurile ceramice anizotrope, pre-structurate, pot îmbunătăți semnificativ proprietățile termoelectrice ale materialelor oxidice. Sinergia dintre sinteza inovatoare și caracterizarea termică precisă deschide calea către noi tehnologii de captare a energiei bazate pe ceramică stabilă, de înaltă performanță.
Recunoștințe
Această lucrare este rezultatul unui efort de colaborare între Institutul de Chimie Fizică și Electrochimie de la Universitatea Leibniz din Hanovra (Germania) și Departamentul Wolfson de Inginerie Chimică, în cooperare cu Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) de la Technion-Israel Institute of Technology (Haifa, Israel), în colaborare cu NETZSCH Analyzing & Testing.
Suntem încântați că am contribuit la această cercetare prin furnizarea de expertiză și instrumente de analiză termică pentru caracterizarea precisă a proprietăților termofizice.
Finanțarea accesului deschis pentru această publicație a fost permisă și organizată de Projekt DEAL.
Aflați mai multe despre NETZSCH Instrumente DSC și LFA pentru aplicații la temperaturi ridicate
