Heute wird mehr als die Hälfte der gesamten aus fossilen Brennstoffen erzeugten Energie als Abwärme entsorgt, was die globale Erwärmung beschleunigt. Wenn wir die Abwärme in eine nützlichere Energieform wie Strom umwandeln könnten, könnten wir den Kraftstoffverbrauch minimieren und unseren CO2-Fußabdruck verringern. In diesem Zusammenhang hat die thermoelektrische Energieumwandlung als Technologie zur Stromerzeugung aus Abwärme an Bedeutung gewonnen.
Für eine effiziente Umwandlung muss ein thermoelektrisches Material eine hohe Umwandlungseffizienz (ZT) haben. Bisher war die Realisierung einer hohen ZT nur durch die Verwendung schwerer Elemente wie Blei, Wismut und Tellur möglich. Die Verwendung von seltenen, teuren und umwelttoxischen Elementen wie diesen hat jedoch die großtechnische Anwendung der thermoelektrischen Energieumwandlung eingeschränkt.
Um diese Probleme anzugehen, haben sich Übergangsmetalloxide auf Basis von Plattformen wie SrTiO3 als kostengünstigere und harmlosere Alternative herausgestellt. Ihre ZT wird jedoch typischerweise durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit (κ) begrenzt, da bei einem hohen κ die Temperatur über das Material schneller gleichmäßig wird und die verringerte Temperaturdifferenz – die treibende Kraft hinter der thermoelektrischen Umwandlung – die Erzeugung von elektrischem Strom verursacht auch zu verringern.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam, dem außerordentlicher Professor Takayoshi Katase vom Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), Japan angehört, kürzlich einen neuen Ansatz zur Reduzierung von κ und zur Steigerung der Leistung von SrTiO3 durch Wasserstoffsubstitution entdeckt.
Herkömmlicherweise wird erwartet, dass die Verwendung leichter Elemente das von der Gittervibration (κlat) stammende κ erhöht, was zur Verwendung schwerer Elemente führt, um das κlat zu reduzieren. Im Gegensatz dazu in ihrer Studie veröffentlicht in Fortschrittliche Funktionsmaterialienentdeckte das Team, dass der κlat von SrTiO3 auf weniger als die Hälfte seines ursprünglichen Werts reduziert werden konnte, indem ein leichtes Element, nämlich Wasserstoff, ersetzt wurde.
Sie klärten den ihrer Beobachtung zugrunde liegenden Mechanismus anhand von First-Principle-Rechnungen auf, die zeigten, dass die Substitution eines Teils der Sauerstoffanionen (O−) durch Wasserstoffanionen (H−), was Verbindungen der Form SrTiO3−xHx ergibt, zu einer Mischung führt, die a enthält starke Ti-O-Bindung und eine schwache Ti-H-Bindung. Diese zufällig verteilten Ti-(O,H)-Bindungen wiederum verringern κlat stark.
Das Team fand auch heraus, dass SrTiO3−xHx-Polykristalle eine hohe Elektronenmobilität aufweisen, die mit der von Einkristallmaterialien vergleichbar ist, ohne dass die Elektronenleitung über Korngrenzen hinweg beeinträchtigt wird. Basierend auf diesen beiden Effekten wird gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit zusammen mit einer hohen elektrischen Ausgangsleistung realisiert, was zu einer verbesserten thermoelektrischen Umwandlungseffizienz im SrTiO3-xHx-Polykristall führt.
Insgesamt können diese Erkenntnisse Türen zu innovativen Strategien zur Entwicklung thermoelektrischer Materialien der nächsten Generation öffnen. „In Zukunft würde der Ansatz der Wasserstoffsubstitution hervorragende umweltfreundliche thermoelektrische Materialien realisieren, die keine Verwendung schwerer Elemente erfordern“, schließt Dr. Katase.
Mehr Informationen:
Xinyi He et al, Hydrid-Anion-Substitution steigert die thermoelektrische Leistung von polykristallinem SrTiO 3 durch gleichzeitige Realisierung von reduzierter Wärmeleitfähigkeit und hoher elektronischer Leitfähigkeit, Fortschrittliche Funktionsmaterialien (2023). DOI: 10.1002/adfm.202213144