DE102013216373A1 - Thermoelectric molding and process for its preparation - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft einen thermoelektrischen Formkörper, wie er beispielsweise als Sensor zum Abwärme-Recycling in Kraftwerken, bei Fahrzeugen oder Computern zur Anwendung kommen kann und ein neues Verfahren zu seiner Herstellung. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines thermoelektrischen Formkörpers, der nanoskalig ist und eine sehr gute Widerstandfähigkeit gegenüber Oxidation aufweist, und weiterhin in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren zur Herstellung derartiger thermoelektrischer Formkörper. Gelöst wird die Aufgabe durch einen thermoelektrischen Formkörper mindestens bestehend aus einer Kohlenstoffnanoröhre, die mit mindestens einer Heusler-Verbindung mindestens teilweise gefüllt ist. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Precursoren mindestens einer Heusler-Verbindung als Metallsalze in einem Lösungsmittel gelöst oder als Salz-Schmelze in Kohlenstoffnanoröhren eingebracht und nachfolgend die gefüllten Kohlenstoffnanoröhren getrocknet und einer Reduktionsreaktion unterworfen werden.The invention relates to the fields of physics and materials science and relates to a thermoelectric molding, as it can be used for example as a sensor for waste heat recycling in power plants, vehicles or computers and a new method for its preparation. The object of the present invention is to provide a thermoelectric molding which is nanoscale and has a very good resistance to oxidation, and further in a simple and inexpensive process for producing such thermoelectric molding. The object is achieved by a thermoelectric molding at least consisting of a carbon nanotube, which is at least partially filled with at least one Heusler compound. The object is further achieved by a method in which the precursors of at least one Heusler compound dissolved as metal salts in a solvent or introduced as a salt melt in carbon nanotubes and subsequently dried the filled carbon nanotubes and subjected to a reduction reaction.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Physik und der Werkstoffwissenschaften und betrifft einen thermoelektrischen Formkörper, wie er beispielsweise als Sensor zum Abwärme-Recycling in Kraftwerken, bei Fahrzeugen oder Computern, beziehungsweise in Kühlgeräten oder Klimaanlagen (
Thermoelektrika sind Materialien, die Wärme in elektrische Energie umwandeln. Die Umwandlung von thermischer in elektrische Energie bei möglichst geringen Temperaturunterschieden ist auf herkömmlichen Wegen nicht in effektiver Weise realisierbar. So sind seit längerem Thermoelemente bekannt die bei Temperaturdifferenzen von etwa 10 K eine elektrische Leistung von 1,5 µW liefern. (
In einem Material resultiert das Anlegen eines Temperaturgradienten direkt in einem elektrischen Potentialunterschied. Die Wechselwirkung zwischen dem Temperatur- und dem Spannungsgradienten wird durch den Seebeck-Koeffizienten S beschrieben. Ein einzelnes thermoelektrisches Grundelement kann allerdings nur eine sehr geringe Spannung (oder nur einen sehr geringen elektrischen Strom) erzeugen, was die Notwendigkeit begründet, kaskadenförmige Baugruppen zu realisieren. (
Thermoelemente aus Metallen wandeln aufgrund ihrer hohen thermischen Leitfähigkeit thermische Energie aber nur sehr ineffizient in elektrische Energie um. Durch Einsatz von Halbleitermaterialien, die eine bis zu 100-fach höhere Thermospannung liefern (
An einigen ausgewählten Beispielen sollen im Folgenden Vor- und Nachteile bestehender Lösungen genannt werden. In the following some advantages and disadvantages of existing solutions will be mentioned.
Aus der
Weitere thermoelektrische Elemente sind nach der
Bekannt sind auch Arbeiten zur Realisierung von thermoelektrischen Kühlern auf Kapton-Folie, um den Einfluss des Substrates durch Verwendung schlecht wärme-leitender dünner Materialien auf die Thermoelemente möglichst gering zu halten [
Ebenfalls ist aus der
Als weiterer aussichtsreicher Ansatz zur Entwicklung von Thermoelektrika mit hoher
Weiterhin sind sogenannte Heusler-Verbindungen bekannt (
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Angabe eines thermoelektrischen Formkörpers, der nanoskalig ist und eine sehr gute Widerstandfähigkeit gegenüber Oxidation aufweist, und weiterhin in einem einfachen und kostengünstigen Verfahren zur Herstellung derartiger thermoelektrischer Formkörper.The object of the present invention is to provide a thermoelectric molding which is nanoscale and has a very good resistance to oxidation, and further in a simple and inexpensive process for producing such thermoelectric molding.
Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by the invention specified in the claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Der erfindungsgemäße thermoelektrischer Formkörper besteht mindestens aus einer Kohlenstoffnanoröhre, die mit mindestens einer Heusler-Verbindung mindestens teilweise gefüllt ist.The thermoelectric molding according to the invention consists at least of a carbon nanotube which is at least partially filled with at least one Heusler compound.
Vorteilhafterweise sind ein- und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren vorhanden.Advantageously, single and / or multiwalled carbon nanotubes are present.
Ebenfalls vorteilhafterweise ist die Kohlenstoffnanoröhre im Wesentlichen vollständig mit mindestens einer Heusler-Verbindung gefüllt.Also advantageously, the carbon nanotube is substantially completely filled with at least one Heusler compound.
Weiterhin vorteilhafterweise ist als Heusler-Verbindung Co2FeGa, Fe2VAl und/oder XZrSn mit X = Ni, Ti, Co, vorteilhafterweise mit Substitutionen, wie Fe2(V,Ti)(Al,Si) oder (Ni,Ti,Co)(Zr,Hf)(Sn,Sb), vorhanden.Further advantageously, as Heusler compound Co 2 FeGa, Fe 2 VAl and / or XZrSn with X = Ni, Ti, Co, advantageously with substitutions, such as Fe 2 (V, Ti) (Al, Si) or (Ni, Ti, Co) (Zr, Hf) (Sn, Sb).
Und auch vorteilhafterweise sind in der Kohlenstoffnanoröhre neben mindestens einer Heusler-Verbindung als andere Füllmaterialien Substitutionen, wie Fe2(V,Ti)(Al,Si) oder (Ni,Ti,Co)(Zr,Hf)(Sn,Sb), vorhanden.And also advantageously, in the carbon nanotube, in addition to at least one Heusler compound as other fillers, substitutions such as Fe 2 (V, Ti) (Al, Si) or (Ni, Ti, Co) (Zr, Hf) (Sn, Sb), available.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines thermoelektrischen Formkörpers werden die Precursoren mindestens einer Heusler-Verbindung als Metallsalze in einem Lösungsmittel gelöst oder als Salz-Schmelze in Kohlenstoffnanoröhren eingebracht und nachfolgend die gefüllten Kohlenstoffnanoröhren getrocknet und einer Reduktionsreaktion unterworfen.In the method according to the invention for producing a thermoelectric molding, the precursors of at least one Heusler compound are dissolved as metal salts in a solvent or introduced as a salt melt in carbon nanotubes and subsequently dried the filled carbon nanotubes and subjected to a reduction reaction.
Vorteilhafterweise werden als Precursoren Metallsalze, insbesondere Nitrate und Chloride, in Wasser gelöst, oder als Salz-Schmelzen, eingesetzt.Advantageously, metal salts, in particular nitrates and chlorides, dissolved in water or as salt melts are used as precursors.
Weiterhin vorteilhafterweise werden als Lösungsmittel Wasser und Alkohole eingesetzt.Further advantageously, water and alcohols are used as solvents.
Ebenfalls vorteilhafterweise werden ein- und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren eingesetzt.Also advantageously, single and / or multi-walled carbon nanotubes are used.
Es ist auch vorteilhaft, wenn die Trocknung der gefüllten Kohlenstoffnanoröhren bei Temperaturen von 90 bis 120 °C durchgeführt wird.It is also advantageous if the drying of the filled carbon nanotubes is carried out at temperatures of 90 to 120 ° C.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Reduktion unter Wasserstoff in einem Temperaturbereich von 300–900 °C in einer Atmosphäre aus Argon und/oder Wasserstoff mit Durchflüssen von 50–200 cm3 und innerhalb von 4–96 Stunden durchgeführt wird.And it is also advantageous if the reduction is carried out under hydrogen in a temperature range of 300-900 ° C in an atmosphere of argon and / or hydrogen with flow rates of 50-200 cm 3 and within 4-96 hours.
Mit der vorliegenden Erfindung ist es erstmals möglich, einen thermoelektrischen Formkörper anzugeben, der nanoskalig ist und eine sehr gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Oxidation aufweist.With the present invention, it is possible for the first time to specify a thermoelectric molded body which is nanoscale and has a very good resistance to oxidation.
Erreicht wird dies durch einen thermoelektrischen Formkörper, der mindestens aus einer Kohlenstoffnanoröhre besteht, die mit mindestens einem intermetallischen, thermoelektrischen Material mindestens teilweise gefüllt ist.This is achieved by a thermoelectric molded body, which consists of at least one carbon nanotube, which is at least partially filled with at least one intermetallic, thermoelectric material.
Die Form der Kohlenstoffnanoröhre bestimmt die Form des thermoelektrischen Formkörpers. Die mindestens eine Heusler-Verbindung im Inneren der Kohlenstoffnanoröhre bestimmt die thermoelektrischen Eigenschaften des Formkörpers. The shape of the carbon nanotube determines the shape of the thermoelectric molding. The at least one Heusler compound inside the carbon nanotube determines the thermoelectric properties of the shaped body.
Die vorhandenen Heusler-Verbindungen sind Halbleiter mit einer kleinen Bandlücke. Unter einer kleinen Bandlücke soll im Rahmen dieser Erfindung vorteilhafterweise eine Pseudo-Bandlücke mit ca. 0.1–0.3 eV (Fe2 basierte Heusler-Verbindungen) oder eine schmale Bandlücke unter 0.5 eV (
Hergestellt werden die erfindungsgemäßen thermoelektrischen Formkörper erfindungsgemäß, indem Precursoren mindestens einer Heusler-Verbindung als Metallsalze in einem Lösungsmittel gelöst und in Kohlenstoffnanoröhren eingebracht werden, nachfolgend die gefüllten Kohlenstoffnanoröhren getrocknet und einer Reduktionsreaktion unterworfen werden. Die Precursoren werden dabei als Metallsalze in einem Lösungsmittel, vorteilhafterweise in Wasser, gelöst und die Kohlenstoffnanoröhren in die Lösung eingebracht. Die Füllung der Kohlenstoffnanoröhren erfolgt dabei über Kapillarkräfte. According to the invention, the thermoelectric molded articles are produced by dissolving precursors of at least one Heusler compound as metal salts in a solvent and introducing them into carbon nanotubes, subsequently drying the filled carbon nanotubes and subjecting them to a reduction reaction. The precursors are dissolved as metal salts in a solvent, advantageously in water, and the carbon nanotubes are introduced into the solution. The filling of the carbon nanotubes takes place via capillary forces.
Nach dem Trocknen und/oder Reduzieren sind die Kohlenstoffnanoröhren aufgrund des entfernten Lösungsmittels unvollständig gefüllt. Sie können nun erneut oder mehrmals in die Lösung mit den Precursoren oder auch in eine andere Lösung von Precursoren einer anderen Heusler-Verbindung eingebracht und damit vorteilhafterweise im Wesentlichen vollständig gefüllt werden. Als Precursoren können Metallsalze, insbesondere Nitrate und Chloride, in Wasser gelöst oder als Salz-Schmelze, eingesetzt werden, die dann zu der gewünschten Heusler-Verbindung umgesetzt werden. After drying and / or reducing, the carbon nanotubes are incompletely filled due to the solvent removed. They can now be introduced again or several times in the solution with the precursors or in another solution of precursors of another Heusler compound and thus advantageously substantially completely filled. As precursors, metal salts, in particular nitrates and chlorides, dissolved in water or used as a salt melt, which are then converted to the desired Heusler compound.
Während der Reduktionsreaktion reagieren die Precursoren zu mindestens einer Heusler-Verbindung in einkristalliner Form.During the reduction reaction, the precursors react to form at least one Heusler compound in monocrystalline form.
Es ist möglich ein- und/oder mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren mit einer oder mehreren Heusler-Verbindungen zu füllen, wobei eine möglichst vollständige Füllung vorteilhaft ist. Als Heusler-Verbindungen können im thermoelektrischen Formkörper Fe2VAl oder XZrSn mit X = Ni; Ti, Co mit weiteren Substitutionen, wie z.B. Fe2(V,Ti)(Al,Si) oder (Ni,Ti,Co)(Zr,Hf)(Sn,Sb) vorhanden sein. Auch Mischungen von verschiedenen Heusler-Verbindungen als Füllung sind möglich, ebenso wie weitere andere Füllmaterialien, wie beispielsweise auch die genannten Substitutionen, vorhanden sein können.It is possible to fill single- and / or multi-walled carbon nanotubes with one or more Heusler compounds, wherein as complete a filling as possible is advantageous. As Heusler compounds in the thermoelectric moldings Fe 2 VAl or XZrSn can with X = Ni; Ti, Co may be present with further substitutions such as Fe 2 (V, Ti) (Al, Si) or (Ni, Ti, Co) (Zr, Hf) (Sn, Sb). Mixtures of different Heusler compounds as a filling are possible, as well as other other filler materials, such as those mentioned substitutions, may be present.
Durch die erfindungsgemäße thermoelektrischen Formkörper wird das thermoelektrische Material in Inneren der Kohlenstoffnanoröhren insbesondere gegenüber Oxidation deutlich, vorteilhafterweise vollständig, geschützt. Der Schutz wirkt aber auch gegenüber anderen chemischen Veränderungen. By means of the thermoelectric molded bodies according to the invention, the thermoelectric material in the interior of the carbon nanotubes is protected clearly, advantageously completely, in particular against oxidation. The protection also works against other chemical changes.
Weiterhin kann keine Agglomeration des thermoelektrischen Materials erfolgen, da es in dem Formkörper der gewünschten strangförmigen Ausbildung geformt wird und die Nanopartikel nur im Inneren der Kohlenstoffnanoröhren in einkristalliner Form hergestellt werden. Auch ist der Innendurchmesser der Kohlenstoffnanoröhren bestimmend für die maximale Kristallitgröße der entstehenden einkristallinen Heusler-Verbindungen.Furthermore, agglomeration of the thermoelectric material can not take place since it is formed in the shaped body of the desired strand-like formation and the nanoparticles are produced only in the interior of the carbon nanotubes in monocrystalline form. The internal diameter of the carbon nanotubes also determines the maximum crystallite size of the resulting monocrystalline Heusler compounds.
Durch die Auswahl der intermetallischen Verbindungen, gegebenenfalls mit weiteren Materialien und mit der Auswahl der Kohlenstoffnanoröhren hinsichtlich Form und Wandaufbau, können die physikalischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Formkörper in einem weiten Bereich gezielt eingestellt werden.By selecting the intermetallic compounds, optionally with other materials and with the selection of the carbon nanotubes in terms of shape and wall structure, the physical properties of the thermoelectric molded body according to the invention can be adjusted in a wide range targeted.
Ebenfalls kann der Anwendungsbereich der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Formkörper deutlich vergrößert werden, da die bekannten Kohlenstoffnanoröhren bis etwa 650 °C thermisch stabil sind und damit die thermoelektrischen Formkörper auch bis zu diesen Temperaturen einsetzbar sind.Likewise, the field of application of the inventive thermoelectric molded body can be significantly increased, since the known carbon nanotubes are thermally stable up to about 650 ° C and thus the thermoelectric molding can also be used up to these temperatures.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine einfache und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Formkörper möglich.With the method according to the invention, a simple and cost-effective production of the thermoelectric molded body according to the invention is possible.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment.
Beispielexample
2,910 g Co(NO3)2·6H2O, 4,040 g Fe(NO3)3·9H2O und 3,638 g Ga(NO3)3·xH2O werden jeweils in 10 ml Wasser gelöst. Die Lösungen werden anschließend im Verhältnis von 2:1:1 gemischt, sodass sich ein Gesamtvolumen von 8 ml ergibt. Mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren mit typischen Abmessungen von 500 bis 5000 nm Länge und 10 bis 100 nm innerem Durchmesser werden in die Lösung gegeben und unter Ultraschallbehandlung für 120 min darin belassen. Nachfolgend wird die Mischung filtriert und die abfiltrierten Kohlenstoffnanoröhren bei 108 °C in einem Ofen getrocknet. Danach werden die getrockneten Kohlenstoffnanoröhren in einem Rohrofen unter Wasserstoffatmosphäre bei 500 °C und einem Gasdurchfluss von 100 cm3 für 240 min reduziert. 2.910 g of Co (NO 3 ) 2 .6H 2 O, 4.040 g of Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O and 3.638 g of Ga (NO 3 ) 3 .xH 2 O are each dissolved in 10 ml of water. The solutions are then mixed in a ratio of 2: 1: 1 to give a total volume of 8 ml. Multi-walled carbon nanotubes with typical dimensions of 500 to 5000 nm in length and 10 to 100 nm in internal diameter are placed in the solution and left under sonication for 120 minutes. Subsequently, the mixture is filtered and the filtered carbon nanotubes dried at 108 ° C in an oven. Thereafter, the dried carbon nanotubes are reduced in a tube furnace under a hydrogen atmosphere at 500 ° C and a gas flow of 100 cm 3 for 240 min.
Nachfolgend liegen Kohlenstoffnanoröhren vor, die jeweils zu mindestens 10 Vol.-% mit der Heusler-Verbindung Co2FeGa gefüllt sind, wobei die Heusler-Verbindung in den Kohlenstoffnanoröhren auch nach mehreren Wochen Lagerung an Luft keine Oxidation aufweist.Below are carbon nanotubes, which are each filled to at least 10 vol .-% with the Heusler compound Co 2 FeGa, the Heusler compound has no oxidation in the carbon nanotubes even after several weeks of storage in air.
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