Auf dem Weg zur Realisierung umweltfreundlicher und leistungsstarker thermoelektrischer Materialien

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In einer neuen Studie haben Wissenschaftler von Tokyo Tech über umweltfreundliche inverse Perowskite mit hoher Energieumwandlungseffizienz berichtet, die das Potenzial für eine praktische Anwendung als thermoelektrische Materialien (TEMs) haben. Die neuen TEMs beseitigen die Einschränkungen, mit denen TEMs normalerweise konfrontiert sind, wie z. B. unzureichende Energieumwandlungseffizienz und Umwelttoxizität aufgrund schwerer Elemente. Sie stellen eine geeignete Alternative zu TEMs dar, die auf toxischen Elementen basieren und bessere thermoelektrische Eigenschaften als herkömmliche umweltfreundliche TEMs aufweisen.

Thermoelektrische Materialien (TEMs), die thermische Energie in elektrische Energie umwandeln können und umgekehrt, sind zu einem wesentlichen Bestandteil unserer Welt geworden, die bessere Abfallenergie-Erntesysteme und Kühlsysteme für elektronische Geräte benötigt.

Die Energieumwandlungseffizienz von TEMs hängt von einem dimensionslosen Gütefaktor (ZT) ab, der ein Produkt aus zwei verschiedenen Faktoren ist: dem Kehrwert der Wärmeleitfähigkeit (κ) und dem Leistungsfaktor (PF).

Ein Hochleistungs-TEM weist eine hohe ZT auf, wenn es ein niedriges κ und ein hohes PF aufweist. Im Laufe der Jahre haben Wissenschaftler mehrere Hochleistungs-TEMs auf der Basis von Schwermetallchalkogeniden wie Bi2Te3 und PbTe entwickelt, die diese Kriterien erfüllen. Obwohl diese Materialien ideal für die Energieumwandlung waren, waren sie giftig für die Umwelt und die Gesundheit lebender Organismen – sie enthielten giftige schwere Elemente wie Blei (Pb) und Tellur (Te), was ihre praktischen Anwendungen einschränkte. Obwohl andererseits oxidbasierte TEMs wie SrTiO3 mehrere Vorteile der Ungiftigkeit und der reichlich vorhandenen natürlichen Ressourcen bieten, ist ihr ZT aufgrund ihres hohen κ-Werts begrenzt.

Um dieses Problem anzugehen, erforschte ein Forschungsteam unter der Leitung von außerordentlichem Professor Takayoshi Katase vom Tokyo Institute of Technology effiziente und dennoch umweltfreundliche TEMs, die frei von toxischen Elementen sind. In ihrer kürzlich in Advanced Science (externe Seite) veröffentlichten Studie präsentierten die Forscher „inverse“ Perowskit-basierte Hoch-ZT-TEMs mit der chemischen Formel Ba3BO, wobei B sich auf Silizium (Si) und Germanium (Ge) bezieht.

„Im Gegensatz zu normalen Perowskiten wie SrTiO3 sind die Positionen der Kationen- und Anionenstellen in inversen Perowskiten Ba3BO umgekehrt. Sie enthalten also eine große Menge des schweren Elements Ba und ihre Kristallstruktur wird durch ein weiches Flammenwerk aus schwachen O-Ba-Bindungen gebildet. Diese Eigenschaften machen das niedrige κ in inversen Perowskiten aus“, sagt Dr. Katase und geht auf die herausragenden Eigenschaften der Materialien ein.

Das Forschungsteam stellte klar, dass die synthetisierten Ba3BO-Massenpolykristalle ein extrem niedriges κ von 1,0–0,4 W/mK bei einer T von 300–600 K aufweisen, was niedriger ist als die von Bi2Te3- und PbTe-Massen. Infolgedessen weisen die Ba3BO-Massen bei T = 300–623 K einen recht hohen ZT-Wert von 0,16–0,84 auf. Zusätzlich zu den vielversprechenden experimentellen Ergebnissen führte das Team theoretische Berechnungen durch, die einen potenziellen maximalen ZT-Wert von 2,14 für Ba3SiO und 1,21 für Ba3GeO vorhersagten bei T = 600 K durch Optimierung der Lochkonzentration. Die maximale ZT dieser ungiftigen TEMs ist viel höher als die anderer umweltfreundlicher TEMs und vergleichbar mit denen der giftigen schweren Elemente im gleichen Temperaturbereich.

Darüber hinaus stellte das Team klar, dass die hohe ZT von Ba3BO nicht nur auf sein niedriges κ, sondern auch auf sein hohes PF:B-Ion zurückzuführen ist, das sich in Ba3BO normalerweise wie ein positiv geladenes Kation, aber wie ein negativ geladenes Anion verhält. Die B-Anionen sind für den Trägertransport verantwortlich, wodurch ein hoher PF erreicht wird.

Zusammenfassend bestätigt diese Studie das Potenzial des neu entwickelten Ba3BO als leistungsstarke und umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen toxischen, auf schweren Elementen basierenden TEMs. Die Ergebnisse belegen, dass inverse Perowskite eine vielversprechende Option für die Entwicklung fortschrittlicher umweltfreundlicher TEMs sind. Diesbezüglich kommt Dr. Katase zu dem Schluss: „Wir glauben, dass unser einzigartiger Einblick in die Entwicklung von Materialien mit hohem ZT-Wert ohne Verwendung toxischer Elemente einen starken Einfluss auf die Materialwissenschaft und Chemie sowie auf Innovatoren haben würde, die den Horizont thermoelektrischer Materialien erweitern möchten.“ Anwendungen über Labore hinaus in unseren Alltag integrieren.“

Referenz

• Autoren: Xinyi He, Shigeru Kimura, Takayoshi Katase, Terumasa Tadano, Satoru Matsuishi, Makoto Minohara, Hidenori Hiramatsu, Hiroshi Kumigashira, Hideo Hosono und Toshio Kamiya.
• Titel: Inverses Perowskit Ba3BO (B = Si und Ge) als leistungsstarkes, umweltfreundliches thermoelektrisches Material mit niedriger Gitterwärmeleitfähigkeit
• Tagebuch: Fortgeschrittene Wissenschaft
• DOI: 10.1002/advs.202307058(Externe Seite)
• Mitgliedschaften: 1) Forschungszentrum für Elementstrategie, International Research Frontiers Initiative, Tokyo Institute of Technology, Japan; 2) Forschungszentrum für magnetische und spintronische Materialien, National Institute for Materials Science, Japan; 3) Forschungszentrum für Material-Nanoarchitektur, Nationales Institut für Materialwissenschaft, Japan; 4) Forschungsinstitut für fortgeschrittene Elektronik und Photonik, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, Japan; 5) Labor für Materialien und Strukturen, Institut für innovative Forschung, Tokyo Institute of Technology, Japan; 6) Institut für multidisziplinäre Forschung für fortgeschrittene Materialien, Universität Tohoku, Japan.

Artikel von Tokio Tech News.