Thermoelektrische Mineralien

Thermoelektrische (TE) Generatoren (TEG) sind Halbleitersysteme, die Abwärme in elektrische Energie umwandeln. Solche Systeme haben ein großes Potenzial, wichtige Beiträge zur Reduzierung der CO2- und Treibhausgasemissionen, als auch effizientere Energienutzung leisten zu können. Festkörperenergieumwandlung hat große Attraktivität aufgrund ihrer Einfachheit im Vergleich zu Systemen, die zweiphasige (Gas/Flüssigkeit) Arbeitsfluide komprimieren und erweitern müssen. Erfolgreiche Anwendungen der TEG basieren auf ihren kleinen Dimensionen, Robustheit in anspruchsvollen Umgebungen und kurze Reaktionszeit. Die TE-Materialien für eine industrielle Anwendung sollten einen hohen Schmelzpunkt besitzen, im Betriebstemperaturbereich strukturell stabil sein, leicht herstellbar sein und zusätzlich sollten die Bestandteile der Materialien ausreichend verbreitet und billig sein. In dieser Hinsicht sind billige schwefelhaltige natürliche und künstlich-erzeugte Mineralien von besonderem Interesse.

Hiermit möchten wir für interessierte Studenten drei Themen für eine Masterarbeit anbieten. Sie beinhalten jeweils die Synthese, Kristallstrukturbestimmung mittels Röntgenstrukturanalyse sowie die Untersuchungen der magnetischen und thermoelektrischen Eigenschaften von schwefelhaltigen natürlichen und künstlich-erzeugten Mineralien. Die physikalischen Charakterisierungen der synthetisierten Stoffen werden am Max-Plank-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden erfolgen.

 

1) Thermoelektrische Eigenschaften von Pseudo-Hollandite mit Schwefel

Hollandit ist ein selten vorkommendes Mineral mit der idealisierten Zusammensetzung Ba(Mn4+,Mn2+)8O16 und monokliner Kristallstruktur. In dieser Struktur bilden die kantenverknüpften Oktaeder (MnO6) einen pseudo-quadratischen Rahmen mit großen Kanälen, die mit verschiedenen Kationen gefüllt werden können. Ähnliches Strukturmotiv ist im InTi5S8-Typ gefunden worden (siehe Abbildung rechts) und daher sind solche Verbindungen als Pseudo-Hollandite bekannt. Sie zeigen ziemlich hohe ZT-Werte (ZT = 0,5 für TlCr5Se8 [1]) und sind daher Objekt zahlreicher Untersuchungen. Während der Masterarbeit sollen ATM5S8 (A = Ba, Sr, In; TM = Ti, V, Cr) Pseudo-Hollandite synthetisiert und ihre thermoelektrischen Eigenschafen untersucht werden.

Literatur: [1] Chem. Mater. 25 (2013) 1809, [2] Solid State Ionics 81 (1995) 183

 

2) Natürlicher Pyrit als Thermoelektrikum

Pyrit (FeS2) (Abbildung rechts) ist ein häufig vorkommendes Mineral mit einfacher kubischer Kristallstruktur. Zahlreichen Studien an natürlichen Kristallen zeigen, dass ZT ~ 0,4 bei Raumtemperatur erreicht werden kann [1]. Hiermit soll auch erwähnt werden, dass die Eigenschaften von Kristallen aus der Natur sehr von den Verunreinigungen abhängig sind, was zu sehr widersprüchlichen Ergebnissen führt (siehe z. B. [2]). Während der Masterarbeit sollen Pyrit-Kristalle aus verschiedenen Minen untersucht werden. Röntgenpulverdiffraktometrie, metallographische, chemische und EDX-Analysen sollen klare Vorstellungen über Verunreinigungen liefern und zum Verständnis der darunter liegenden physikalischen Eigenschaften beitragen.

Literatur: [1] J. Mater. Sci. Lett. 16 (1997) 914, [2] J. Chem. Soc. Pak. 29 (2007) 549

 

3) Thermoelektrische Eigenschaften von In-S-Spinellen

{Ti,Cr,Fe}In2S4 kristallisieren mit flächenzentriertem MgAl2O4-Strukturtyp, bekannt auch als natürliches Mineral Spinell (Abbildung rechts). In-S-Spinelle wurden wegen ihren interessanten magnetischen Eigenschaften intensiv untersucht. Allerdings sind ihre thermoelektrischen Charakteristika weniger bekannt. Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen obengenannte Kristalle mittels Gastransportreaktionen synthetisiert und thermoelektrische Eigenschaften untersucht werden.

Literatur: [1] Semiconductors 43 (2009) 1510