28.01.2021 - Nagoya Institute of Technology (NITech)

Wie Kristalldefekte helfen können, Abwärme in Strom umzuwandeln

Wie Kristalldefekte in Ni-Basis-Legierungen zu hohen thermoelektrischen Umwandlungswirkungsgraden führen und die thermoelektrische Technologie voranbringen

Wenn wir die drohende Umweltkrise verhindern wollen, müssen wir unbedingt effiziente und nachhaltige Wege finden, um Verschwendung zu vermeiden. Ein Bereich mit viel Raum für Verbesserungen ist das Recycling von Abwärme aus industriellen Prozessen und technologischen Geräten in Elektrizität. Thermoelektrische Materialien stehen im Mittelpunkt der Forschung auf diesem Gebiet, da sie eine saubere Stromerzeugung bei geringen Kosten ermöglichen.

Damit thermoelektrische Materialien in so unterschiedlichen Bereichen wie Stahlwerken oder im Transportwesen eingesetzt werden können, müssen sie sowohl im Hoch- als auch im Niedertemperaturbereich arbeiten können. In dieser Hinsicht stehen "Halb-Heusler-Ni-Basis-Legierungen" dank ihrer attraktiven thermoelektrischen Effizienz, mechanischen Festigkeit und Haltbarkeit derzeit im Rampenlicht. Obwohl viel Aufwand betrieben wurde, um diese besonderen Legierungen zu verstehen und zu verbessern, ist es für die Wissenschaftler schwierig zu klären, warum Halb-Heusler-Ni-Legierungen eine so hohe Umwandlungseffizienz haben. Einige haben die Theorie aufgestellt, dass Defekte in der Kristallstruktur des Materials die Wärmeleitfähigkeit und damit auch die Umwandlungseffizienz erhöhen. Allerdings ist die Kristallstruktur um die Defekte herum nicht bekannt und damit auch nicht deren spezifischer Beitrag.

In einer kürzlich in Scientific Reports veröffentlichten Studie hat ein Team von Wissenschaftlern aus Japan und der Türkei unter der Leitung von Associate Professor Hidetoshi Miyazaki vom Nagoya Institute of Technology, Japan, nun versucht, diese Frage zu klären! Ihre Forschung kombinierte theoretische und experimentelle Analysen in Form von groß angelegten Kristallstruktursimulationen und Röntgenabsorptions-Feinstruktur (XAFS)-Spektren an NiZrSn-Legierungen.

Mit diesen Techniken berechnete das Team zunächst die strukturellen Auswirkungen, die ein zusätzliches Ni-Atom (Defekt) in der Anordnung von NiZrSn-Kristallen haben würde. Dann überprüften sie die theoretischen Vorhersagen durch verschiedene Arten von XAFS-Messungen, wie Dr. Miyazaki erklärt: "In unserem theoretischen Rahmen nahmen wir an, dass Kristallgitterverzerrungen eine Folge von atomaren Defekten sind, um Bandstrukturberechnungen nach den ersten Prinzipien durchzuführen. Mit XAFS war es möglich, durch den Vergleich der experimentellen und theoretischen Spektren detaillierte Informationen über die lokale Kristallstruktur um atomare Defekte zu erhalten." Diese Beobachtungen erlaubten es den Wissenschaftlern, die Belastung, die Ni-Defekte in nahegelegenen Atomen verursachen, genau zu quantifizieren. Sie analysierten auch die Mechanismen, durch die diese Veränderungen zu einer höheren Wärmeleitfähigkeit (und Umwandlungseffizienz) führen.

Die Ergebnisse dieser Studie werden entscheidend sein, um die thermoelektrische Technologie voranzubringen, wie Dr. Miyazaki bemerkt: "Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zur Entwicklung einer Strategie beitragen werden, die sich auf die Kontrolle der Dehnung um defekte Atome konzentriert, was uns wiederum erlauben wird, neue und bessere thermoelektrische Materialien zu entwickeln." Hoffentlich wird dies zu einem Sprung in der thermoelektrischen Umwandlungstechnologie führen und den Übergang zu einer weniger verschwenderischen, dekarbonisierten Gesellschaft beschleunigen - einer Gesellschaft, in der überschüssige Wärme nicht einfach weggeworfen, sondern als Energiequelle zurückgewonnen wird.

Abschließend hebt Dr. Miyazaki hervor, dass die Techniken, die zur Beobachtung feiner Veränderungen der Dehnung in kristallinen Strukturen verwendet werden, leicht an andere Materialtypen angepasst werden können, z. B. an solche, die für spintronische Anwendungen und Katalysatoren bestimmt sind.

Es gibt sicherlich viel zu gewinnen, wenn man den feinen Details in der Materialwissenschaft nachgeht, und wir können sicher sein, dass diese Studie einen Schritt in die richtige Richtung für eine bessere Zukunft markiert!

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