Das Team stellt Kristalle her, die aus Wärme Strom erzeugen

Um Wärme in Strom umzuwandeln, eröffnen leicht zugängliche Materialien aus unbedenklichen Rohstoffen neue Perspektiven bei der Entwicklung sicherer und kostengünstiger sogenannter „thermoelektrischer 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 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 durch Kugelmahlen mechanisch legiert, um eine vorkristallisierte Phase zu bilden, die dann bei 600 Grad Celsius verdichtet wird. Dieser Prozess lässt sich leicht skalieren“, 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, die für solche Anwendungen verwendet werden, 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 bei dieser Materialklasse kaum Auswirkungen auf die Struktur“, 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 stabil ist, ein Bereich, der weit innerhalb des Abwärmetemperaturbereichs der meisten Industrien liegt. Er ist überzeugt, dass auf der Grundlage dieser Entdeckung billigere neuartige und ungiftige thermoelektrische Materialien entwickelt werden könnten, um problematischere Materialien zu ersetzen.