Verbesserung der Thermoelektrizität mit geführter Verunreinigungspositionskontrolle

Thermoelektrische Materialien, Substanzen, die Temperaturunterschiede in Strom umwandeln, finden eine Vielzahl von Anwendungen bei der Umwandlung von Abwärme in nutzbare elektrische Energie. Für eine effiziente thermoelektrische Umwandlung sind sie jedoch häufig auf schwere Seltenerdelemente angewiesen.

Dies macht sie leider teuer und umweltgefährdend. In den letzten Jahren hat Material auf Basis konjugierter Polymere als umweltfreundliche Alternative zu den herkömmlichen thermoelektrischen Materialien auf Basis von Seltenerdmetallen Aufmerksamkeit erregt.

Aufgrund ihrer hohen Ladungsträgermobilität im amorphen Zustand haben IDT-haltige leitfähige Polymere das Potenzial, die Wärmeleitfähigkeit zu verringern, während ihre elektronische Leitfähigkeit intakt bleibt. Leider leiden diese Polymere unter einer geringen elektronischen Leitfähigkeit, was unsere Fähigkeit einschränkt, hochleistungsfähige thermoelektrische Materialien aus Polymeren auf IDT-Basis zu synthetisieren.

Eine Lösung für das Problem hat nun ein Forscherteam unter der Leitung von Prof. Sukwon Hong Gwangju Institute of Science and Technology in Korea gefunden. Ausgestattet mit ihrem Verständnis plausibler Gründe für die beobachtete niedrige Leitfähigkeit entwarf das Team eine neuartige Strategie zur Entwicklung eines IDT-basierten Polymers mit verbesserter thermoelektrischer Leistung, basierend auf der Positionskontrolle von Dotierstoffen (Verunreinigungen) innerhalb eines Acetal-funktionalisierten IDT (IDTa)-Polymers. Ihre Studie wurde in zur Verfügung gestellt Chemie der Materialien.

Das Team entschied sich für PIDT-EDOT, ein Copolymer von IDT, und funktionalisierte es dann mit Acetal, um PIDTa-EDOT zu bilden. Als nächstes synthetisierten sie einen Lewis-Säure-Base-Komplex, indem sie Nitrosylhexafluorophosphat (NOPF6), ein Lewis-saures Dotierungsmittel, in die IDTa-Komponente einführten. Die Hinzufügung der Acetalgruppe war entscheidend, da sie den Dotierstoff in die Nähe der Benzylposition des Polymerskeletts dirigierte, was die gewünschte Steuerung der Dotierstoffposition erleichterte.

„Wir haben gezeigt, dass die geringe Leitfähigkeit herkömmlicher IDT aus ihren unpolaren Seitenketten resultiert, die dazu führen, dass sich der Dotierstoff zwischen den Polymerketten (Rückgrat) statt an den Seitenketten befindet. Dies wiederum behindert den Ladungstransfer. Dementsprechend haben wir eine Strategie vorgeschlagen, die es uns ermöglichen würde, den Dotierstoff in der Nähe der Seitenketten des Polymerrückgrats zu platzieren“, erklärt Prof. Hong auf die Frage nach der Motivation hinter der Studie.

Beim Testen des PIDTa-EDOT-Polymers beobachteten die Forscher eine verbesserte Dotierungseffizienz, eine kondensierte π-π-Stapelung und eine verringerte Korngröße. Diese wiederum verliehen einerseits eine geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,09 W m−1 K−1 und andererseits eine 30-mal höhere elektronische Leitfähigkeit. Als Ergebnis zeigte das PIDTa-EDOT-Polymer eine 6-fache Verbesserung der thermoelektrischen Leistung im Vergleich zu reinem PIDT-EDOT-Polymer.

Die Studie stellt somit einen neuen Ansatz zur Synthese von IDT-basierten Polymeren vor, die gleichzeitig eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und eine hohe elektronische Leitfähigkeit aufweisen, eine Voraussetzung für die Entwicklung effizienter thermoelektrischer Materialien und thermoelektrischer Umwandlungstechnologien.

„Verbesserte thermoelektrische Materialien könnten zu einer effizienteren Stromerzeugung aus der Abwärme industrieller Prozesse oder sogar des menschlichen Körpers führen. Dies wiederum könnte den Energieverbrauch senken und Solarstrom praktikabler und kostengünstiger machen“, schließt Prof. Hongkong.