26.08.2025 by Dr. Chiara Baldini, Aileen Sammler
Повышение термоэлектрической мощности с помощью керамики с нанолентами - новый путь к высокоэффективным кобальтитам кальция
Поиск новых способов эффективного использования энергии и развития устойчивых технологий - одна из центральных тем нашего времени. Поэтому материалы, способные преобразовывать тепло непосредственно в электрическую энергию - так называемые термоэлектрические материалы - все чаще оказываются в центре внимания. Керамические соединения на основе кобальтита кальция считаются особенно перспективными, поскольку они прочны, устойчивы к высоким температурам и эффективны в своей работе.
В области высокотемпературных термоэлектрических материалов получение анизотропных микроструктур в поликристаллической керамике является ключевой стратегией для повышения электропроводности при подавлении теплового переноса.
Но как можно еще больше улучшить эти материалы? Группа исследователей разработала совершенно новый подход, позволяющий значительно улучшить свойства этих соединений и тем самым сделать важный шаг на пути к экологически чистой генерации энергии.
Недавнее исследование, опубликованное в Journal of the American Ceramic и озаглавленное "Высокоэффективная термоэлектрическая кальций-кобальтитовая нанориббоновая керамика с помощью электроспиннинга и двухискрового плазменного текстурирования", представляет собой инновационный подход к решению этой задачи.
От нанонитей до высокопроизводительной керамики
Исследователи из Лейбницкого университета Ганновера и Техниона - Израильского технологического института - успешно совместили электроспиннинг с последовательным искровым плазменным спеканием (SPS) и безкраевым искровым плазменным текстурированием (SPT). Эта стратегия обработки была ранее представлена в предыдущем блоге, где она применялась к керамике на основе порошка CCO.
Ключевым новшеством данного проекта является использование электросплетенных нанолент в качестве исходного материала для создания высокотекстурированной керамики на основе кобальтита кальция (Ca₃Co₄O₉, CCO).
Эти одномерные прекурсоры по своей природе анизотропны и уже демонстрируют выровненную ориентацию зерен. После спекания и текстурирования с использованием комбинированного подхода SPS + SPT полученный кобальтит имеет плотно упакованную микроструктуру, напоминающую кирпичную стену, улучшенное выравнивание для эффективного переноса заряда в плоскости и сниженную теплопроводность за счет рассеяния фононов на границах текстурированных зерен.
При температуре 1073 К этот перспективный термоэлектрический материал достиг показателя ZT = 0,53, что является одним из самых высоких значений, зарегистрированных для поликристаллического CCO.
NETZSCH Термоанализаторы, позволяющие точно оценить термоэлектрические свойства
Лаборатория анализа и испытаний NETZSCH внесла существенный вклад в эту работу, измерив тепловую диффузию с помощью прибора NETZSCH LFA 467 HT HyperFlash Laser Flash и удельную теплоемкость (Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) с помощью дифференциального сканирующего калориметра NETZSCH DSC 404 F1 Pegasus® .
Оба показателя позволили точно рассчитать значения теплопроводности (λ) и ZT, что дало прямое представление о влиянии наноструктурирования на теплоперенос.
Данное исследование показывает, как предварительно структурированные, анизотропные керамические строительные блоки могут значительно улучшить термоэлектрические свойства оксидных материалов. Синергия между инновационным синтезом и точной термической характеризацией открывает путь к новым технологиям сбора энергии на основе стабильной, высокоэффективной керамики.
Благодарности
Данная работа является результатом совместной работы Института физической химии и электрохимии при Лейбницком университете Ганновера (Германия) и факультета химической инженерии Вольфсона в сотрудничестве с программой Nancy & Stephan Grand Technion Energy Program (GTEP) при Технионе - Израильском технологическом институте (Хайфа, Израиль), в корпорации с NETZSCH Analyzing & Testing.
Мы рады, что внесли свой вклад в это исследование, предоставив опыт термического анализа и оборудование для точной характеристики теплофизических свойств.
Финансирование этой публикации в открытом доступе было обеспечено и организовано Projekt DEAL.
Подробнее о NETZSCH Приборы ДСК и LFA для высокотемпературных применений
