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Außergewöhnliches neues Material wandelt Abwärme in Energie um

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Gereinigtes Zinnselenid hat eine außerordentlich hohe thermoelektrische Leistung.

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Perseverance, der Marsrover der NASA für das Jahr 2020, wird durch etwas angetrieben, das hier auf der Erde sehr begehrt ist: ein thermoelektrisches Gerät, das Wärme in nützlichen Strom umwandelt.

Auf dem Mars ist die Wärmequelle der radioaktive Zerfall von Plutonium, und die Umwandlungseffizienz des Geräts liegt bei 4-5 %. Das ist gut genug, um Perseverance und seinen Betrieb zu versorgen, aber nicht gut genug für Anwendungen auf der Erde.

Ein Team von Wissenschaftlern der Northwestern University und der Seoul National University in Korea hat nun ein hochleistungsfähiges thermoelektrisches Material in praktischer Form nachgewiesen, das für die Entwicklung von Geräten verwendet werden kann. Das Material - gereinigtes Zinnselenid in polykristalliner Form - übertrifft die einkristalline Form bei der Umwandlung von Wärme in Elektrizität und ist damit das effizienteste thermoelektrische System aller Zeiten. Die Forscher konnten die hohe Umwandlungsrate erreichen, nachdem sie ein Oxidationsproblem identifiziert und beseitigt hatten, das in früheren Studien die Leistung beeinträchtigt hatte.

Das polykristalline Zinnselenid könnte für den Einsatz in thermoelektrischen Festkörpergeräten in einer Vielzahl von Branchen entwickelt werden, was enorme Energieeinsparungen ermöglichen würde. Ein wichtiges Anwendungsziel ist das Auffangen von industrieller Abwärme - etwa aus Kraftwerken, der Automobilindustrie und Glas- und Ziegelfabriken - und deren Umwandlung in Strom. Mehr als 65 % der weltweit aus fossilen Brennstoffen gewonnenen Energie geht als Abwärme verloren

"Thermoelektrische Geräte werden zwar eingesetzt, aber nur in Nischenanwendungen, wie z. B. im Mars-Rover", so Mercouri Kanatzidis von Northwestern, ein Chemiker, der sich auf die Entwicklung neuer Materialien spezialisiert hat. "Diese Geräte haben sich nicht so durchgesetzt wie Solarzellen, und es gibt erhebliche Herausforderungen bei der Herstellung guter Geräte. Wir konzentrieren uns darauf, ein Material zu entwickeln, das kostengünstig und leistungsstark ist und thermoelektrischen Geräten zu einer breiteren Anwendung verhilft."

Kanatzidis, der Charles E. und Emma H. Morrison Professor für Chemie am Weinberg College of Arts and Sciences, ist einer der Autoren der Studie. Er hat eine gemeinsame Stelle mit dem Argonne National Laboratory.

Einzelheiten über das thermoelektrische Material und seine rekordverdächtige Leistung wurden am 2. August 2021 in der Zeitschrift Nature Materials veröffentlicht

In Chung von der Seoul National University ist der andere Mitverfasser der Studie. Vinayak Dravid, der Abraham-Harris-Professor für Materialwissenschaft und -technik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, ist einer der Hauptautoren der Studie. Dravid ist ein langjähriger Mitarbeiter von Kanatzidis.

Thermoelektrische Geräte sind bereits gut definiert, sagt Kanatzidis, aber das thermoelektrische Material im Inneren ist entscheidend dafür, ob sie gut funktionieren oder nicht. Eine Seite des Geräts ist heiß und die andere Seite kalt. Das thermoelektrische Material liegt in der Mitte. Wärme fließt durch das Material, und ein Teil der Wärme wird in Elektrizität umgewandelt, die das Gerät über Drähte verlässt.

Das Material muss eine extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit haben und gleichzeitig eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, um die Abwärme effizient umzuwandeln. Und da die Wärmequelle bis zu 400-500 Grad Celsius heiß sein kann, muss das Material auch bei sehr hohen Temperaturen stabil sein. Diese und andere Herausforderungen machen die Herstellung von thermoelektrischen Geräten schwieriger als die von Solarzellen.

Etwas Teuflisches geschah

Im Jahr 2014 berichteten Kanatzidis und sein Team über die Entdeckung eines überraschenden Materials, das weltweit am besten in der Lage war, Abwärme in nutzbare Elektrizität umzuwandeln: die Kristallform der chemischen Verbindung Zinnselenid. Obwohl es sich um eine wichtige Entdeckung handelt, ist die einkristalline Form wegen ihrer Zerbrechlichkeit und ihrer Neigung zum Abplatzen für die Massenproduktion ungeeignet.

Es wurde Zinnselenid in polykristalliner Form benötigt, das stabiler ist und für Anwendungen geschnitten und geformt werden kann, weshalb die Forscher das Material in dieser Form untersuchten. Zu ihrer unangenehmen Überraschung stellten sie fest, dass die Wärmeleitfähigkeit des Materials hoch ist und nicht wie in der einkristallinen Form wünschenswert niedrig.

"Uns wurde klar, dass etwas Teuflisches geschah", sagte Kanatzidis. "Die Erwartung war, dass Zinnselenid in polykristalliner Form keine hohe Wärmeleitfähigkeit haben würde, aber das tat es. We had a problem."

Bei näherer Betrachtung entdeckten die Forscher eine Haut aus oxidiertem Zinn auf dem Material. Die Wärme floss durch die leitfähige Haut und erhöhte die Wärmeleitfähigkeit, was in einem thermoelektrischen Gerät unerwünscht ist

Eine Lösung wird gefunden, die Türen öffnet

Nachdem das koreanische Team herausgefunden hatte, dass die Oxidation sowohl durch den Prozess selbst als auch durch die Ausgangsmaterialien verursacht wurde, fand es einen Weg, den Sauerstoff zu entfernen. Die Forscher konnten daraufhin Zinnselenidkügelchen ohne Sauerstoff herstellen, die sie anschließend testeten.

Die tatsächliche Wärmeleitfähigkeit der polykristallinen Form wurde gemessen und erwies sich, wie ursprünglich erwartet, als niedriger. Seine Leistung als thermoelektrisches Gerät, das Wärme in Elektrizität umwandelt, übertraf die der einkristallinen Form und war damit die effizienteste, die je gemessen wurde.

Der Wirkungsgrad der Abwärmeumwandlung in der Thermoelektrik wird durch die "Leistungszahl" (ZT) angegeben. Je höher die Zahl ist, desto besser ist die Umwandlungsrate. Der ZT-Wert von einkristallinem Zinnselenid lag früher bei etwa 2,2 bis 2,6 bei 913 Kelvin. In dieser neuen Studie fanden die Forscher heraus, dass das gereinigte Zinnselenid in polykristalliner Form eine ZT von etwa 3,1 bei 783 Kelvin aufweist. Seine Wärmeleitfähigkeit war ultraniedrig, niedriger als die der Einkristalle.

"Dies öffnet die Tür für neue Geräte, die aus polykristallinen Zinnselenid-Pellets gebaut und deren Anwendungen erforscht werden können", sagte Kanatzidis.

Northwestern besitzt das geistige Eigentum an dem Zinnselenidmaterial. Zu den potenziellen Anwendungsbereichen für das thermoelektrische Material gehören die Automobilindustrie (ein erheblicher Teil der potenziellen Energie des Benzins kommt aus dem Auspuff eines Fahrzeugs), die Schwerindustrie (z. B. Glas- und Ziegelherstellung, Raffinerien, kohle- und gasbefeuerte Kraftwerke) und Orte, an denen große Verbrennungsmotoren kontinuierlich arbeiten (z. B. in großen Schiffen und Tankern).

Referenz: "Polycrystalline SnSe with a thermoelectric figure of merit greater than the single crystal" von Chongjian Zhou, Yong Kyu Lee, Yuan Yu, Sejin Byun, Zhong-Zhen Luo, Hyungseok Lee, Bangzhi Ge, Yea-Lee Lee, Xinqi Chen, Ji Yeong Lee, Oana Cojocaru-Mirédin, Hyunju Chang, Jino Im, Sung-Pyo Cho, Matthias Wuttig, Vinayak P. Dravid, Mercouri G. Kanatzidis und In Chung, 2. August 2021, Nature Materials.

DOI: 10.1038/s41563-021-01064-6

Die Forschung wurde von der National Research Foundation of Korea (NRF) mit Mitteln der koreanischen Regierung (NRF-2020R1A2C2011111), dem Nano-Material Technology Development Program über die NRF mit Mitteln der koreanischen Regierung (NRF-2017M3A7B4049274 und NRF-2017M3A7B4049273) und dem Institute for Basic Science (IBS-R009-G2) unterstützt.