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Tetragonal tungsten bronzes Nb8−xW9+xO47−δ: optimization strategies and transport properties of a new n-type thermoelectric oxide

Heinrich, Christophe P. und Schrade, Matthias und Cerretti, Giacomo und Lieberwirth, Ingo und Leidich, Patrick und Schmitz, Andreas und Fjeld, Harald und Müller, Eckhard und Finstad, Terje G. und Norby, Truls und Tremel, Wolfgang (2015) Tetragonal tungsten bronzes Nb8−xW9+xO47−δ: optimization strategies and transport properties of a new n-type thermoelectric oxide. Materials Horizons, 2 (5), Seiten 519-527. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/C5MH00033E. ISSN 2051-6347.

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Kurzfassung

Engineering of nanoscaled structures may help controlling the electrical and thermal transport in solids, in particular for thermoelectric applications that require the combination of low thermal conductivity and low electrical resistivity. The tetragonal tungsten bronzes Nb8−xW9+xO47 (TTB) allow a continuous variation of the charge carrier concentration while fulfilling at the same time the concept of a “phonon-glass electron-crystal” through a layered nanostructure defined by intrinsic crystallographic shear planes. The thermoelectric properties of the tetragonal tungsten bronzes Nb8−xW9+xO47−δ (0 < x < 2) were studied in the temperature range from 373 to 973 K. Structural defects and the thermal stability under various oxygen partial pressure pO2 were investigated by means of thermogravimetry, HR-TEM, and XRD. Nb8W9O47−δ was found stable at 973 K and a pO2 of ≈10−15 atm. The oxygen nonstoichiometry δ can reach up to 0.3, depending on the applied atmosphere. By increasing the substitution level x, the electrical resistivity ρ and the Seebeck coefficient S decreased. For x = 2, ρ reached 20 mΩ cm at 973 K, combined with a Seebeck coefficient of approximately −120 μV K−1. The thermal conductivity was low for all samples, ranging from 1.6 to 2.0 W K−1 m−1, attributed to the complex crystal structure. The best thermoelectric figure of merit zT of the investigated samples was 0.043, obtained for x = 2 at 973 K, but it is expected to increase significantly upon a further increase of x. The control of the oxygen non-stoichiometry δ opens a second independent optimization strategy for tetragonal tungsten bronzes.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/100084/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Tetragonal tungsten bronzes Nb8−xW9+xO47−δ: optimization strategies and transport properties of a new n-type thermoelectric oxide
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Heinrich, Christophe P.Institut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie, Johannes Gutenberg-Universität, Duesbergweg 10-14, D-55099 Mainz, Germany and Graduate School Materials Science in Mainz, Johannes Gutenberg-Universität, Staudinger Weg 9, 55128 Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schrade, MatthiasCentre for Materials Science and Nanotechnology, University of Oslo, FERMiO, Gaustadalléen 21, NO-0349 Oslo, NorwayNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Cerretti, GiacomoInstitut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität, Duesbergweg 10-14, D-55099 Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Lieberwirth, IngoMax Planck-Institut für Polymerforschung, Ackermannweg 10, D-55128 Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Leidich, PatrickInstitut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität, Duesbergweg 10-14, D-55099 Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Schmitz, AndreasGerman Aerospace Center, Institute of Materials Research, Köln, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Fjeld, HaraldCentre for Materials Science and Nanotechnology, University of Oslo, FERMiO, Gaustadalléen 21, NO-0349 Oslo, NorwayNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, EckhardGerman Aerospace Center, Institute of Materials Research, Köln, Germany and Justus Liebig University Giessen, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, 35392 Giessen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Finstad, Terje G.Centre for Materials Science and Nanotechnology, University of Oslo, FERMiO, Gaustadalléen 21, NO-0349 Oslo, NorwayNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Norby, TrulsCentre for Materials Science and Nanotechnology, University of Oslo, FERMiO, Gaustadalléen 21, NO-0349 Oslo, NorwayNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Tremel, WolfgangInstitut für Anorganische Chemie und Analytische Chemie, Johannes Gutenberg-Universität, Duesbergweg 10-14, D-55099 Mainz, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Datum:3 Juli 2015
Erschienen in:Materials Horizons
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Nein
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:2
DOI:10.1039/C5MH00033E
Seitenbereich:Seiten 519-527
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:2051-6347
Status:veröffentlicht
Stichwörter:n-type thermoelectric oxide, transport properties
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Antriebssysteme
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L ER - Engine Research
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Turbinentechnologien (alt)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: Zabrocki, Dr. Knud
Hinterlegt am:30 Nov 2015 08:31
Letzte Änderung:08 Mär 2018 18:38

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