Wissenschaftler stellen Kristalle her, die aus Wärme Strom erzeugen

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Frühere thermoelektrische Vorrichtungen verwenden teure und giftige Elemente. Jetzt haben Wissenschaftler kostengünstige Kristalle aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel hergestellt, die Wärme effizient in Strom umwandeln können.

Ein synthetisches Sulfidmineral mit thermoelektrischen Eigenschaften.

Im Bestreben, Wärme effizient in Strom umzuwandeln, eröffnen leicht zugängliche Materialien aus unbedenklichen Rohstoffen neue Perspektiven bei der Entwicklung von sicheren und kostengünstigen sogenannten thermoelektrischen Materialien. Ein synthetisches Kupfermineral erhält durch einfache Änderungen seiner Zusammensetzung eine komplexe Struktur und Mikrostruktur und legt damit die Grundlage für die gewünschten Eigenschaften, so eine kürzlich in der Fachzeitschrift veröffentlichte Studie Angewandte Chemie.

Der neuartige Kunststoff besteht aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel und wird in einem recht einfachen Prozess hergestellt, erklärt der Materialwissenschaftler Emmanuel Guilmeau, CNRS-Forscher am CRISMAT-Labor in Caen, Frankreich, der korrespondierender Autor der Studie ist . „Die Pulver werden einfach mechanisch durch Kugelmahlen zu einer vorkristallisierten Phase legiert, die dann bei 600 Grad verdichtet wird

Celsius
Die Celsius-Skala, auch Celsius-Skala genannt, ist eine nach dem schwedischen Astronomen Anders Celsius benannte Temperaturskala. In der Celsius-Skala ist 0 °C der Gefrierpunkt von Wasser und 100 °C der Siedepunkt von Wasser bei 1 atm Druck.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Celsius[{“attribute=””>Celsius. Dieser Prozess kann leicht hochskaliert werden“, sagt er.

Thermoelektrische Materialien wandeln Wärme in Strom um. Dies ist besonders nützlich in industriellen Prozessen, wo Abwärme als wertvolle elektrische Energie wiederverwendet wird. Der umgekehrte Ansatz ist die Kühlung elektronischer Bauteile, beispielsweise in Smartphones oder Autos. Materialien für solche Anwendungen müssen nicht nur effizient, sondern auch kostengünstig und vor allem gesundheitlich unbedenklich sein.

Bisher verwendete thermoelektrische Geräte verwenden jedoch teure und giftige Elemente wie Blei und Tellur, die den besten Umwandlungswirkungsgrad bieten. Um sicherere Alternativen zu finden, haben sich Emmanuel Guilmeau und sein Team Derivaten natürlicher Sulfidmineralien auf Kupferbasis zugewandt. Diese Mineralderivate bestehen hauptsächlich aus ungiftigen und reichlich vorhandenen Elementen, und einige von ihnen haben thermoelektrische Eigenschaften.

Jetzt ist es dem Team gelungen, eine Reihe von thermoelektrischen Materialien herzustellen, die zwei Kristallstrukturen innerhalb desselben Materials aufweisen. „Das Ergebnis hat uns sehr überrascht. Normalerweise hat eine geringfügige Änderung der Zusammensetzung wenig Einfluss auf die Struktur dieser Materialklasse“, beschreibt Emmanuel Guilmeau ihre Entdeckung.

Das Team stellte fest, dass das Ersetzen eines kleinen Teils des Mangans durch Kupfer komplexe Mikrostrukturen mit miteinander verbundenen Nanodomänen, Defekten und kohärenten Grenzflächen erzeugte, die die Transporteigenschaften des Materials für Elektronen und Wärme beeinflussten.

Emmanuel Guilmeau sagt, dass das hergestellte neuartige Material bis zu 400 Grad Celsius (750 Grad Celsius) stabil ist

Fahrenheit
Die Fahrenheit-Skala ist eine Temperaturskala, die nach dem deutschen Physiker Daniel Gabriel Fahrenheit benannt ist und auf einer von ihm 1724 vorgeschlagenen basiert. In der Fahrenheit-Temperaturskala liegt der Gefrierpunkt von Wasser bei 32 °F und Wasser kocht bei 212 °F, a 180 °F Trennung, wie auf Meereshöhe und normalem atmosphärischem Druck definiert.

” data-gt-translate-attributes=”[{“attribute=””>Fahrenheit[{“attribute=””>Fahrenheit), ein Bereich, der gut innerhalb des Abwärmetemperaturbereichs der meisten Industrien liegt. Er ist davon überzeugt, dass auf der Grundlage dieser Entdeckung neuartige, billigere und ungiftige thermoelektrische Materialien entwickelt werden könnten, um problematischere Materialien zu ersetzen.

Referenz: „Technische Transporteigenschaften in miteinander verbundenem Enargit-Stannit-Typ Cu2+xMn1−xGeS4 Nanokomposite“ von Dr. V. Pavan Kumar, S. Passuti, Dr. B. Zhang, Dr. S. Fujii, K. Yoshizawa und Dr. P. Boullay, Dr. S. Le Tonquesse, Dr. C. Prestipino, Prof. B. Raveau, Prof. P. Lemoine, Dr. A. Paecklar, Dr. N. Barriere, Prof. X.Zhou, Prof. M. Josiah, Dr. K. Suekuni, Dr. E. Guilmeau, 13. September 2022, Angewandte Chemie International Edition.
DOI: 10.1002/ange.202210600

Förderung: Agence Nationale de la Recherche, Horizon 2020 Framework Programme, Japan Society for the Promotion of Science

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