近期，中科院合肥研究院固體所秦曉英研究員課題組在N型Bi2Te2.7Se0.3(BTS)材料體系熱電性能方面取得新進展。研究人員通過向BTS基體中引入少量Ag9AlSe6納米顆粒實現(xiàn)材料熱導(dǎo)率的顯著下降，使含0.35vol.% Ag9AlSe6的復(fù)合樣品的最大ZT（熱電優(yōu)值）達到1.2 ( 423K)，在300-473K溫區(qū)內(nèi)的平均ZT達到了1.1。相關(guān)工作以 “Enhancing thermoelectric performance of n-type Bi2Te2.7Se0.3  through incorporation of Ag9AlSe6 inclusions ” 為題發(fā)表在材料化學(xué)類期刊 Inorganic Chemistry Frontiers   (Inorg. Chem. Front., 2022, DOI: 10.1039/d2qi01232d )上。

近年來，熱電技術(shù)作為解決能源問題的有效途徑備受關(guān)注。熱電材料的能量轉(zhuǎn)換效率由無量綱的熱電優(yōu)值ZT=S2T/rk=PF·T/k決定，其中S、r、T、k和PF (=S2/r)分別代表塞貝克系數(shù)、電阻率、絕對溫度、導(dǎo)熱系數(shù)和功率因子。因此，高的功率因子PF和低的熱導(dǎo)率k是材料高ZT值的必要條件。然而，這些熱電參數(shù)(S， σ， κ)是相互交織的，這對提高ZT值仍然是一個挑戰(zhàn)。

熱電器件是由P型和N型熱電材料組成。目前對P型室溫?zé)犭姴牧蟌T的改進已經(jīng)取得了很大的進展。但在室溫附近開發(fā)高性能(大ZT)的N型熱電材料面臨更大的挑戰(zhàn)，這阻礙了熱電器件的轉(zhuǎn)換效率，使其無法得到廣泛應(yīng)用。因此，開發(fā)高效的N型室溫?zé)犭姴牧?，研制高轉(zhuǎn)換效率的熱電器件具有重要意義。Bi2Te3是目前公認(rèn)的在室溫下既能發(fā)電又能冷卻的著名合金之一。但N型Bi2Te3相對應(yīng)的熱電優(yōu)值ZT和能量轉(zhuǎn)換效率較低，限制了其商業(yè)應(yīng)用。因此，提高N型Bi2Te3的熱電性能是促進其工業(yè)應(yīng)用的必要條件。

尋找最優(yōu)的第二相是設(shè)計和制造一個性能優(yōu)異(包括功能和結(jié)構(gòu))的復(fù)合體系材料的首要和關(guān)鍵任務(wù)，很多研究都對BTS的不同分散相進行了探索，以獲得更好的熱電性能。固體所科研人員嘗試通過向BTS中引入N型納米顆粒Ag9AlSe6，研究了BTS-xvol% Ag9AlSe6 (x= 0、0.15、0.25、0.35、0.50和0.70)樣品的熱電性能。結(jié)果表明，在BTS中加入Ag9AlSe6納米粒子加入，其聲子散射和相界增強，使得塞貝克系數(shù)增強和熱導(dǎo)率降低，復(fù)合樣品BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的熱電性能比原始BTS提高了約40%， ZTmax值 達到1.2 (423K)。BTS-0.50vol% Ag9AlSe6的平均ZTave為1.1 (300K-473K)。該工作表明Ag9AlSe6納米顆粒的加入是提高BTS熱電性能的有效途徑，對于N型碲化鉍合金熱電性能的調(diào)控研究具有重要意義。

上述工作得到國家自然科學(xué)基金和安徽省自然科學(xué)基金以及合肥研究院院長基金的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2QI01232D

圖1. (a-b) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM圖像；(c) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的高倍TEM圖像；(d)選定區(qū)域電子衍射(SAED)(假彩色)；(e-l) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM圖像和Bi、Te、Se、Ag、Al的EDS譜圖。

圖2. BTS-xvol%Ag9AlSe6 (x=0,0.15,0.25,0.35,0.50和0.70)樣品的(a)熱電優(yōu)值 (ZT)隨溫度的依賴性；(b) 平均熱電優(yōu)值 (ZTave)隨Ag9AlSe6含量的依賴性。