Nano-Engineering of High Performance Thermoelectrics, (Nanothermel), V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth (Progetti)

Type
Label
  • Nano-Engineering of High Performance Thermoelectrics, (Nanothermel), V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth (Progetti) (literal)
Anno
  • 2000-01-01T00:00:00+01:00 (literal)
Alternative label
  • Mamoun Muhammed, Anders Palmqvist, Bo Iversen, Mike Rowe, Eckhart Müller, Carlo Gatti, German Noriega, lennart Holmgren (2000)
    Nano-Engineering of High Performance Thermoelectrics, (Nanothermel), V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth
    (literal)
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  • Mamoun Muhammed, Anders Palmqvist, Bo Iversen, Mike Rowe, Eckhart Müller, Carlo Gatti, German Noriega, lennart Holmgren (literal)
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  • 1. Royal Institute of Technology, Stockholm (Sweden) Prof. Mamoun Muhammed 2. Chalmers Univ. of Technology, Gothenburg (Sweden) Dr. Anders Palmqvist 3. Aarhus University, Department of Chemistry (Denmark) Prof. Bo Iversen 4. Cardiff University, NEDO Laboratories (United Kingdom) Prof. Mike Rowe 5. German Aerospace Center, Köln (Deutschland) Dr. Eckhart Müller 6. CNR, Italian National Research Council - ISTM (Italia) Dr. Carlo Gatti Industrial Partners 1. CIDETE Ingenieros, Barcelona (E) Dr. German Noriega 2. LEGE Ind. Group (S) Mr. Lennart Holmgren (literal)
Titolo
  • Nano-Engineering of High Performance Thermoelectrics, (Nanothermel), V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth (literal)
Descrizione sintetica
  • Titolo: Nano-Engineering of High Performance Thermoelectrics, (Nanothermel), V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth Tipologia / Finanziamento: V Programma Quadro della Comunità Europea, attività Compatible and Sustainable Growth Importo totale finanziamento (EUR): 1.243.000 Importo finanziamento per Unità Operativa (EUR): 61.432 Numero contratto: G5RD-CT2000-00292 Atto di conferimento: Tipologia: Contratto Atto di conferimento: Numero: G5RD-CT2000-00292 Atto di conferimento: Data: 27/12/2000 Atto di conferimento: Dettagli : Finanziamento: 61432 euro di cui 54764 da contratto iniziale G5RD-CT-2000-00292 e 6668 di premio al candidato, legato alla riallocazione interna dei fondi del progetto Altri partner italiani o stranieri: Coordinator : Prof. Mamoun Muhammed, Royal Institute of Technology Research Institutions involved in the project: 1. Royal Institute of Technology, Stockholm (Sweden) Prof. Mamoun Muhammed 2. Chalmers Univ. of Technology, Gothenburg (Sweden) Dr. Anders Palmqvist 3. Aarhus University, Department of Chemistry (Denmark) Prof. Bo Iversen 4. Cardiff University, NEDO Laboratories (United Kingdom) Prof. Mike Rowe 5. German Aerospace Center, Köln (Deutschland) Dr. Eckhart Müller 6. CNR, Italian National Research Council - ISTM (Italia) Dr. Carlo Gatti Industrial Partners 1. CIDETE Ingenieros, Barcelona (E) Dr. German Noriega 2. LEGE Ind. Group (S) Mr. Lennart Holmgren Periodo di attività: Dal: 01/01/2001 Al: 31/01/2004 Finalità del progetto: Thermoelectric (TE) materials have a unique position for their dual purpose: electrical generation on one side and cooling/heating on the other side. Power generation is achieved by applying a temperature difference between two ends of the TE material, while cooling or heating is obtained by applying electrical current. TE devices have very attractive features, such a small size, simplicity, reliability, no need of maintenance and have important terrestrial and space applications. They will also play an important role in the development of clean and efficient cooling and energy conversion systems. Cars, as an example, loose about 1/3 of the energy directly as heat in the exhaust, which can partly be recovered with an efficient TE device and converted to useable electricity resulting in overall vehicle operation economy and sizeable impact on CO2 emission. TE coolers would bring about a reduction in ozone depletion due the fluorocarbons used in standard vapour compression systems and would yield a quieter environment, since they operate without moving parts. Yet, to economically compete with conventional cooling and energy conversion systems, the efficiency of current TE devices must be largely increased, mostly through an improvement of the properties of the kernel of the device, the TE material. The device efficiency depends on the material properties through the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of the material ZT= TS**2*sigma/k where sigma and k are the electrical and thermal conductivity, S the thermopower and T the absolute temperature. Discovering a material with high ZT is akin to finding the proverbial needle in a haystack, because of seemingly contradictory requirements high thermopower, like a semiconductor; high electrical conductivity, like a metal; and low thermal conductivity, like a glass. The project is aimed at developing a viable strategy for improving ZT, based on the use of nanotechnology as well as on the introduction of structural modifications of new classes of host-guest TE materials like the filled skutterudites and the inorganic clathrates. Nanostructuring of existing thermoelectric materials should lead led to a dramatic decrease of k. Filling the cubic voids of skutterudites or the cages of clathrates with atoms that are small enough to \"rattle\" and create dynamical disorder also reduces k, without much adverse the electronic transport. By combining such a void filling with suitable substitutions (doping) into the host framework, a good compromise between decrease of k and concomitant decrease of S and sigma may be achieved. Modeling of such structural modifications through first principles computations will be the main task performed by ISTM. It is expected to provide precious guidance for the design of the optimum TE materials and valuable help for the fundamental understanding of their transport properties. Doubling ZT of the best nowadays available materials , is one of the foreseen deliverables of NanoThermel project. Attività svolta: Il candidato è stato Principal Contractor del progetto NanoThermel (http://www.nanothermel.org) per lo sviluppo nanotecnologico di materiali e dispositivi termoelettrici (TE) ad alto rendimento. Questo progetto, iniziato nel gennaio 2001, è stato finanziato nell'ambito del V Programma Quadro della Comunità Europea (contratto n. G5RD-CT2000-00292, attività Compatible and Sustainable Growth, Research and Technological development (shared-cost RTD) e coinvolge altri 6 gruppi europei. Il progetto è formalmente terminato a fine gennaio 2004, con l'esame finale che ha avuto esito positivo. I materiali TE hanno doppia funzione: servono per generare corrente elettrica, ma anche per raffreddare o riscaldare. Per il primo scopo si applica una differenza di temperatura alle due estremità del materiale, per il secondo si fa passare una corrente elettrica. I dispositivi TE hanno caratteristiche particolarmente interessanti quali le dimensioni ridotte, la semplicità, l affidabilità e sono usati in applicazioni terrestri e spaziali. Avranno un ruolo sempre più significativo nello sviluppo di sistemi di conversione di energia e di raffreddamento efficienti e con basso impatto ambientale. Un dispositivo TE potrebbe convertire il calore dei gas di combustione delle auto in elettricità riutilizzabile all interno del veicolo, riducendone il costo di esercizio e l'emissione di CO2, mentre l impiego di refrigeratori TE, che non usano fluorocarburi, ridurrebbe il buco dell ozono. Tuttavia, per competere con le tecnologie convenzionali, occorre migliorare l efficienza degli attuali dispositivi TE che è funzione delle proprietà del materiale TE attraverso la figura di merito ZT, ZT=TS(**2)sigma/k con T temperatura assoluta. Trovare un materiale con alta ZT è come cercare un ago nel pagliaio: alto potere termoelettrico S come i semiconduttori, alta conducibilità elettrica sigma come i metalli, bassa conducibilità termica k come i vetri. Per aumentare ZT, abbiamo seguito una duplice strategia: la nanostrutturazione e l'introduzione di modifiche strutturali in materiali guest-host, altamente promettenti sotto il profilo TE, quali le skutteruditi, i clatrati inorganici e le leghe Zn-antimonio. Nanostrutturando le skutteruditi abbiamo ridotto k di un ordine di grandezza, grazie alla maggiore densità di bordi di grano. Questo importante risultato è stato in parte offuscato dalla contemporanea diminuzione di S e sigma, che stiamo cercando di contrastare con un doping ottimale e con l'adozione di vie sintetiche che prevengano l ossidazione dei bordi di grano. Si può ridurre k anche riempiendo le cavità delle skutteruditi e Pagina 11 di 178 12/11/2013 16.33.22 BANDO DI SELEZIONE N. 364.172 D dei clatrati con atomi sufficientemente piccoli, che oscillino localmente, creino disordine dinamico e non interferiscano sul trasporto elettronico. Combinando il riempimento delle cavità con opportuno doping dell host, si spera di arrivare a un compromesso vincente tra diminuzione di k e possibili diminuzioni di sigma e S. Il compito principale del candidato è stata la simulazione, tramite calcoli ab-initio, delle variazioni che le modifiche strutturali inducono sulle proprietà del materiale TE. La simulazione si è dimostrata una guida preziosa per la scelta dei materiali da sintetizzare, nonché un aiuto considerevole per la comprensione delle loro proprietà di trasporto. Benchè il progetto sia formalmente finito, ne continua alacremente l'attività per finalizzare quanto fatto sinora. Risultati ottenuti: Il candidato, ha prodotto in particolare i seguenti risultati: 1. Definizione del ruolo delle interazioni guest-host nei clatrati inorganici A8Ga16Ge30 (A=Sr,Ba), confutando, su basi rigorose, la supposta elettro-neutralità degli atomi guest in questi composti. Differenze tra interazioni guest-host nelle gabbie piccole e grandi dei clatrati. Effetto della distorsione strutturale sulle interazioni host-guest. 2. Analisi del ruolo degli atomi di zinco interstitiziali nel definire le proprietà di trasporto in Zn4Sb3. Deconvoluzione del dato strutturale a raggi X, mediato nello spazio e nel tempo, per determinare, sulla base di criteri geometrici ed energetici, le strutture-base che formano il sistema difettivo Zn4Sb3. Determinazione delle proprietà di trasporto elettronico delle strutture base e definizione delle condizioni di optimal doping per il sistema globale. 3. Relazioni tra struttura geometrica e proprietà di trasporto elettronico in skutteruditi dopate e/o filled , (Filler)xCo(1-x)Sb(3-y) (Filler = Ni, Ba, La, Sn; Su1=Ni; Su2=Sn, Te) 3. Definizione della probabile struttura di skutteruditi dopate e filled sulla base di simulazioni computazionali per diverse ipotesi strutturali. Ausilio del calcolo per l'interpretazione del dato sperimentale strutturale e di trasporto elettronico 4. Elaborazione di un codice, ELTRAP, per la valutazione delle proprietà di trasporto elettronico 5. Analisi quantitativa dell'effetto di diminuzione della conducibilità termica in seguito a nanostrutturazione, utilizzando il concetto della resistenza di Kapitza. Nel corso del progetto sono state prodotte le seguenti pubblicazioni a stampa: 1. L. Bertini, C. Stiewe, M. Toprak, S. Williams, D. Platzek, A. Mrotzek, Y. Zhang, C. Gatti, E. Müller, M. Muhammed, M. Rowe, Nanostructured Co1-xNixSb3 skutterudites: synthesis, thermoelectric properties and theoretical modelling , J. Appl. Phys. , 93, 438-447, (2003) 2. C. Gatti*, L. Bertini, N.P. Blake, B.B. Iversen, Guest-Framework Interaction in Type I Inorganic Clathrates with Promising Thermoelectric Properties: On the Ionic versus Neutral Nature of the Alkaline-Earth Metal Guest A in A8Ga16Ge30 (A=Sr,Ba) , Chem. Eur. J. 9 , 4556-4568 (2003). 3. F. Cargnoni, E. Nishibori, P. Rabiller, L. Bertini, G. J. Snyder, M. Christensen, C. Gatti*, B. B. Iversen*, Interstitial Zn atoms Do the Trick in Thermoelectric Zinc Antimonide, Zn4Sb3: A combined Maximum Entropy Method X-ray Electron Density and Ab Initio Electronic Structure Study , Chem. Eur. J. 10, 3861-3870 (2004). 4. M. Christensen, B. B. Iversen, L. Bertini, C. Gatti, M. Toprak, M. Muhammed, E. Nishibori, Structural Study of Fe Doped and Ni Substituted Thermoelectric Skutterudites by Combined Synchrotron and Neutron Powder Diffraction and Ab Initio Theory, J. Appl. Phys. 96, 3148-3157 (2004). 5. M. S. Toprak, C. Stiewe, D. Platzek, S. Williams, L. Bertini, E. Müller, C. Gatti, Y. Zhang, M. Rowe, M. Muhammed, The impact of Nanostructuring on the Thermal Conductivity of Thermoelectric CoSb3 , Adv. Funct. Mater. 14, 1189-1196 (2004). 6. L. Bertini, C. Gatti, The impact of the actual geometrical structure of a thermoelectric material on its electronic transport properties. The case of doped skutterudite systems , J. Chem. Phys. 121, 8983-8989 (2004). 7. C. Stiewe, L. Bertini, M. Toprak, M. Christensen, D. Platzek, S. Williams, C. Gatti, E. Müller, B. B. Iversen, M. Muhammed, M. Rowe Nanostructured Co1-xNix(Sb1-yTey)3 skutterudites: Theoretical modeling, synthesis and thermoelectric properties', J. Appl. Phys. 97, 044317, 7 pages (2005). Un capitolo di libro (nel 2006 a suggello di quanto fatto nel progetto): L. Bertini, F. Cargnoni, C. Gatti, 'A chemical approach to the first-principles modeling of novel thermoelectric materials', CRC Press Taylor&Francis, Thermoelectrics Handbook: Macro to Nano, chapter 7, Edited by D.M. Rowe, 2006. Una serie di contributi a congresso, sottoposti a referaggio e pubblicati su atti di congresso (ciascuno di 4 o più pagine a stampa) con codice ISBN e ISSN (v. sezione B) Pagina 12 di 178 12/11/2013 16.33.22 BANDO DI SELEZIONE N. 364.172 D Theoretical modeling of Te doped CoSb3', Proceedings of 22nd Int. Conf. on Thermoelectrics (2003), pages 85-88, IEEE Catalog Number 03TH8726, ISBN 0-7803-8301-X, ISSN 1094-2734. Thermoelectric Properties of Nano-grained CoSb3 Skutterudites Doped with Ni and Te', ibidem, pages 48-51. 'Pitfalls in crystallographic analysis of doped skutterudite materials', ibidem pages 68-71 'Thermoelectric performance of large single crystal clathrate Ba8Ga16Ge30', ibidem, pages 127-130 'Grain Size Dependence of Transport Properties of Nano-engineered Thermoelectric CoSb3', ibidem, pages 93-96 'Standardisation in thermoelectric transport properties measurements - The Cardiff NEDO laboratories and DLR Cologne program', ibidem, pages 532-536, 'Chemical Alloying and Characterization of Nanocrystalline Co1-xNixSb3-yTey Skutterudites', ibidem, pages 117-120 (literal)
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