Im Einklang mit den weltweiten Bemühungen um Nachhaltigkeit hat die Entwicklung von Technologien zur Energiegewinnung höchste Forschungspriorität erlangt. Obwohl erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Sonnenenergie in jüngster Zeit in den Mittelpunkt gerückt sind, ist auch Abwärme eine weitgehend ungenutzte Energiequelle. Mithilfe thermoelektrischer Materialien kann industrielle Abwärme gewonnen und in elektrische Energie umgewandelt werden, was zur Steigerung der Effizienz industrieller Prozesse beitragen kann.
Leider ist dieser Ansatz bei „minderwertiger“ Abwärme (Abwärme mit Temperaturen unter 200 °C) weniger unkompliziert. Das Hauptproblem besteht darin, dass die für diesen Temperaturbereich verfügbaren thermoelektrischen Materialien recht begrenzt sind. Die meisten thermoelektrischen anorganischen Materialien sind entweder giftig, ihre Herstellung ist unerschwinglich teuer oder sie sind zu starr für Anwendungen, bei denen Flexibilität erforderlich ist (wie etwa tragbare Elektronik).
Vor diesem Hintergrund untersuchte ein Forschungsteam, zu dem auch der außerordentliche Professor Hiroo Suzuki von der Universität Okayama in Japan gehört, die Anwendung von Garnen aus Kohlenstoffnanoröhren (CNT) bei der thermoelektrischen Umwandlung.
In einer Studie, deren Ergebnisse veröffentlicht am 12. März 2024 in Kleine Methodenhaben sie ein großes Hindernis in diesem speziellen Bereich angegangen: den Mangel an leistungsstarken n-Typ-CNT-Garnen (CNT-Garne mit einem Überschuss an Elektronen) für Abwärme geringer Qualität im Gegensatz zu p-Typ-CNT-Garnen (Garne mit einem Überschuss an positiven Ladungsträgern). Dieser Artikel wurde gemeinsam von Jun Kametaka, Takeshi Nishikawa und Yasuhiko Hayashi, alle von der Universität Okayama, verfasst.
„Die aus CNTs hergestellten CNT-Garne eignen sich gut für praktische Anwendungen, da die garnartige Struktur die Herstellung flexibler thermoelektrischer Geräte wie gewebebasierter Module ermöglicht“, erklärt Dr. Suzuki.
„Obwohl in jüngsten Berichten p-Typ-CNT-Garne mit einem bemerkenswerten thermoelektrischen Leistungsfaktor vorgestellt wurden, führt das Fehlen ähnlicher n-Typ-CNT-Garne zu Einschränkungen für Gerätekonfigurationen mit π-Typ-Modulen, die sowohl p- als auch n-Typ-CNTs benötigen, um eine hohe Effizienz zu erreichen.“
Um das Problem zu lösen, versuchte das Forschungsteam, eine neuartige Dotiermethode (Zugabe von Verunreinigungen) zu entwickeln, um n-Typ-CNT-Garne effizient herzustellen. Sie wählten 4-(1, 3-Dimethyl-2, 3-Dihydro-1H-Benzimidazol-2-yl)-Phenyl)-Dimethylamin (N-DMBI) als vielversprechendes Dotiermittel aufgrund seiner hohen Stabilität in der Luft, die für die meisten praktischen Anwendungen unerlässlich ist.
Zunächst spannen die Forscher CNT-Garne im Trockenspinnverfahren. Diese Garne wurden dann einem „Joule-Glühprozess“ unterzogen, bei dem das Material einem elektrischen Strom ausgesetzt wird, bis es eine genau kontrollierte hohe Temperatur erreicht.
Die Logik hinter diesem Verarbeitungsschritt besteht darin, dass die vorübergehende Wärme die Kristallinität der CNTs erhöht und so ihre Wärmeleitfähigkeit verringert. Dies wiederum verbessert ihre thermoelektrische Leistung. Darüber hinaus verbessert das Joule-Glühen die mechanischen Eigenschaften des Garns erheblich.
Als nächstes versuchte das Team, ein optimales N-DMBI-Dotierungsprotokoll für die CNT-Garne zu entwickeln. „Die Optimierung des Dotierprozesses umfasste die sorgfältige Auswahl eines geeigneten Lösungsmittels. Wir haben zehn verschiedene Optionen bewertet, darunter unpolare Lösungsmittel, polare aprotische Lösungsmittel und polare protische Lösungsmittel“, erklärt Dr. Suzuki. „Auf der Grundlage einer Analyse des resultierenden Seebeck-Koeffizienten der CNT-Garne haben wir letztendlich o-Dichlorbenzol als das am besten geeignete Lösungsmittel für die N-DMBI-Dotierung bei niedrigen Temperaturen identifiziert.“
Nach umfangreichen Experimenten berichtete das Team, dass die geglühten, n-dotierten CNT-Garne im Temperaturbereich von 30 bis 200 °C einen bemerkenswert hohen thermoelektrischen Leistungsfaktor sowie eine hohe Gütezahl (ein numerischer Ausdruck, der die Leistung oder Effizienz eines Materials darstellt) erreichten. Sie testeten dieses n-Typ-Material außerdem in einem Prototyp eines thermoelektrischen Generators vom π-Typ, der sogar bei nur 55 °C und einem Temperaturunterschied von 20 °C Strom erzeugen konnte.
„Die Stromerzeugung bei niedrigen Temperaturen und geringen Temperaturunterschieden ist von großer Bedeutung für die Entwicklung thermoelektrischer Module, die verschiedene Wärmequellen nutzen können, wie etwa die Abwärme von Industrieanlagen, die Wärmeableitung von Fahrzeugen und sogar die Körperwärme“, bemerkt Dr. Suzuki.
„Unsere Forschung kann daher dazu beitragen, die Energieprobleme unserer Gesellschaft anzugehen, indem sie durch die effiziente Nutzung sonst verschwendeter Energie zur Energieeinsparung beiträgt. Darüber hinaus können thermoelektrische Generatoren als lokale Energiequelle genutzt werden, um IoT-Geräte wie flexible Gesundheitssensoren anzutreiben.“
Insgesamt könnten die durch diese Studie gewonnenen Erkenntnisse zur Entwicklung besserer organischer thermoelektrischer Materialien führen und so den Weg für eine effizientere Energiegewinnung aus Abwärme ebnen.
Mehr Informationen:
Hiroo Suzuki et al., N‐DMBI‐Dotierung von Kohlenstoffnanoröhrengarnen zur Erzielung eines hohen thermoelektrischen Leistungsfaktors und einer hohen Gütezahl vom n‐Typ, Kleine Methoden (2024). DOI: 10.1002/smtd.202301387