Verbesserte p-leitende thermoelektrische Keramik durch kombinierte Dotierung und asymmetrische Strukturierung mit elektrogesponnenen Nanobändern und Spark-Plasma-Sinterung

• Antragsteller: Professor Dr. Armin Feldhoff
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536531583

Das fehlpassungs-modulierte geschichtete Kobaltit Ca3Co4O9 hat sich als vielversprechendes thermoelektrisches p-artige Material für die Gewinnung von Energie aus Wärmequellen bei hohen Temperaturen erwiesen. Die Körner des Materials weisen starke anisotrope Eigenschaften auf, so dass Texturierung und Nanostrukturierung zur Verbesserung der thermoelektrischen Leistung meist bevorzugt werden. Um das Potenzial von Ca3Co4O9 voll auszuschöpfen, sollen seine orientierungsabhängigen thermoelektrischen Eigenschaften in hochgradig texturierten, nanostrukturierten Keramiken in Kombination mit einer selektiven Dotierung auf dem Calciumgitterplatz genutzt werden. Der Ansatz umfasst das Elektrospinnen von flachen Nanobändern, um eine Nanostruktur und eine bevorzugte Texturierung zu erreichen. Um die elektrische Leitfähigkeit der thermoelektrischen Keramik in einer bevorzugten Richtung zu verbessern, werden die primären Nanopartikel vor dem Sintern in den Nanobändern ausgerichtet. Die perfekte Stapelung der Nanobänder wird durch kontrolliertes Trocknen und Zusammenfallen der Fasern zu Bändern auf dem Kollektor erreicht. Dies gewährleistet einen guten Kontakt zwischen den Bändern und verbessert so die elektrische Leitfähigkeit. Durch anschließende Spark-Plasma-Sinterung (SPS) werden Keramiken mit hoher Dichte und kleinen, nanoskaligen, orientierten Körnern erhalten, was die Wärmeleitfähigkeit verringert. Während des SPS-Prozesses werden metallische Abstandshalter verwendet, um die Kohlenstoffkontamination zu steuern und den Sauerstoffgehalt sowie die thermoelektrischen Eigenschaften zu erhalten. Die selektive Dotierung auf dem Ca-Gitterplatz erfolgt mit zwei bis drei Elementen gleichzeitig (Co-Dotierung), um den Leistungsfaktor und die elektrische Leitfähigkeit zu verbessern und gleichzeitig die Wärmeleitfähigkeit zu verringern. Die erhaltenen Mikrostrukturen der Nanobänder und der gesinterten Keramiken werden mittels Röntgenbeugung, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie in Kombination mit Elektronenbeugung und Elementanalyse mittels Röntgenspektroskopie und Elektronenenergieverlustspektroskopie charakterisiert. Die funktionelle Charakterisierung umfasst den thermoelektrischen Güteparameter zT von Raumtemperatur bis 1173 K in Luft auf der Grundlage von Messungen des richtungsabhängigen Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen Leitfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit. Es wird erwartet, dass Ca3Co4O9-Keramiken mit anisotropisch verbesserten thermoelektrischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen in Luft erhalten werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Gideon Grader