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Neues Kristallmaterial erzeugt Strom aus Wärme

Synthetisches Kupfermineral zeigt vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften

thermoelektrisch
Ein neu entwickeltes synthetisches Kupfermineral reagiert thermoelektrisch und könnte daher künftig zur Stromgewinnung aus Abwärme eingesetzt werden. © Ken Brazier / CC-by-sa 4.0

Abwärme als Stromquelle: Forschende haben ein Material entwickelt, das neue Optionen für die Gewinnung von Strom aus Wärme bietet. Das aus Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel bestehende Mineral besitzt eine Mikrostruktur, die seine Elektronen beweglich macht und ihm vielversprechende thermoelektrische Eigenschaften verleiht. Zudem besteht dieses thermoelektrische Material aus ungiftigen, reichlich verfügbaren Elementen und kann leicht erzeugt werden.

Thermoelektrische Materialien können Wärme in elektrischen Strom umwandeln – und so beispielsweise die Abwärme von Industrieanlagen oder Kraftwerken zur Energiegewinnung nutzen. Weil diese Materialien eine geringe thermische, aber hohe elektrische Leitfähigkeit besitzen, entstehen in ihnen lokale Temperaturunterschiede, durch die Elektronen mobilisiert werden. Dies erzeugt eine elektrische Spannung. Viele bisher getestete Feststoffe enthalten allerdings teure und giftige Elemente wie etwa Blei und Tellur – diese weisen den höchsten Wirkungsgrad auf.

Zusätzliches Kupfer verändert Kristallstruktur

Ein neues, reichlich verfügbares und ungiftiges thermoelektrisches Material hat nun ein Team unter Leitung von Emmanuel Guilmeau vom CRISMAT-Labor im französischen Caen entwickelt. Sie hatten Derivate von natürlichen, schwefelhaltigen Kupfermineralen als mögliche Kandidaten untersucht. Diese Minerale enthalten Kupfer, Mangan, Germanium und Schwefel und bestehen damit im Wesentlichen aus nicht giftigen, häufig in der Erdkruste vorkommenden Elementen.

Um die von Natur aus eher schwachen thermoelektrischen Eigenschaften zu verstärken, ersetzten die Forschenden einen kleinen Anteil des natürlich in diesem Mineral enthaltenen Mangans durch Kupfer. Wie Analysen ergaben, veränderte dies die Kristallstruktur des Minerals: Es bildeten sich komplexe Mikrostrukturen aus ineinander verschachtelten Nanodomänen, Defekten und elektronisch gleichartigen Grenzflächen. Dadurch vereinte dieses nun synthetische Mineral nun
zwei Kristallstrukturen im selben Material.

„Das Ergebnis hat uns sehr überrascht,“ sagt Guilmeau. „Normalerweise beeinflusst eine Änderung der Zusammensetzung in dieser Materialklasse die Struktur kaum.“

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Verbesserte thermoelektrische Eigenschaften

Das Entscheidende jedoch: Diese Änderung der kristallinen Mikrostruktur verstärkte wie erhofft die thermoelektrischen Eigenschaften des Minerals. Zum einen wandelte es sich von einem Halbleiter mit relativ hohem Widerstand zu einem metallähnlich leitenden Material. Gleichzeitig sank die thermische Leitfähigkeit bis zu Temperaturen von rund 450 Grad immer weiter ab, weil die vielen Defekte und Grenzflächen im Kristallgitter die Wärmeleitung hemmen, wie das Team ermittelte.

Als Ergebnis bildet das synthetische Kupfermineral ein thermoelektrisches Material, das ungiftig, günstig und bei relativ hohen Temperaturen einsetzbar ist. Denn die nötige Kristallstruktur bleibt bis gut 400 Grad stabil und liegt damit im üblichen Abwärme-Temperaturbereich vieler Industrieanlagen. Nach Ansicht der Forschenden eröffnen synthetische Minerale dieser Aart daher gute Chance für den Einsatz als effiziente thermoelektrische Materialien.

Ein weiterer Vorteil: „Die Pulver werden einfach mechanisch durch ein Kugelmahlverfahren in eine vorkristalline Legierung gebracht und dann bei 600 Grad Celsius verdichtet,“ erläutert Guilmeau. „Dieser Prozess kann leicht auf den größeren Maßstab übertragen werden.“ (Angewandte Chemie, 2022; doi: 10.1002/ange.202210600)

Quelle: Gesellschaft Deutscher Chemiker

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