近日，中科院合肥物質(zhì)院能源材料與器件制造研究部秦曉英研究員團(tuán)隊(duì)在近室溫碲化鉍熱電材料熱電性能優(yōu)化研究方面取得了系列進(jìn)展。相關(guān)工作發(fā)表在工程技術(shù)類期刊Chemical Engineering Journal上。      熱電技術(shù)作為解決能源問題的有效途徑，近年來引起廣泛關(guān)注。熱電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱能與電能的直接相互轉(zhuǎn)換，具有純固態(tài)、無噪音、無運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在深空探測、廢熱發(fā)電利用(能量回收)，如汽車尾氣熱量回收發(fā)電以提升燃油效率等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了重要應(yīng)用。但是，當(dāng)前N型碲化鉍的熱電優(yōu)值ZT和能量轉(zhuǎn)換效率較低，這限制了其商業(yè)應(yīng)用。

針對(duì)當(dāng)前唯一實(shí)現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料，固體所研究人員通過向Bi2Te2.7Se0.3 (BTS)基體中復(fù)合無機(jī)MnSb2Se4 (MSS) 納米顆粒，實(shí)現(xiàn)材料功率因子(PF)的提高和熱導(dǎo)率的顯著下降。研究結(jié)果表明，功率因子的增加是由于能量過濾效應(yīng)引起的塞貝克系數(shù)的增強(qiáng)；而降低的熱導(dǎo)率主要來源于MSS納米粒子和位錯(cuò)對(duì)聲子散射的增強(qiáng)。BTS/0.50wt%MSS復(fù)合樣品的最大熱電優(yōu)值ZT高達(dá)1.23 ( 345K)，在300-473K溫區(qū)內(nèi)的平均ZT達(dá)到了1.15，分別比基體BTS提高48%和42%。同時(shí)，復(fù)合樣品的維氏硬度提高了17%，力學(xué)性能較好。該研究表明，加入過渡金屬硒化物(如MSS)為改善BTS熱電性能和力學(xué)性能提供了新思路(Chem . Eng. J, 467, 143397(2023))。

此外，研究人員通過復(fù)合體系設(shè)計(jì)與性能調(diào)控，向BTS基體復(fù)合介觀尺度導(dǎo)電聚合物聚苯胺(PANI)納米粒子，構(gòu)建介觀尺度的載流子輸運(yùn)調(diào)控和聲子散射(阻隔)基元，研究和探討超低熱導(dǎo)率導(dǎo)電聚合物基元對(duì)BTS基復(fù)合體系晶格熱導(dǎo)率、熱電勢及PF等的影響。研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)合體系的晶格熱導(dǎo)率在300 K時(shí)降低了49%，這主要是由于聚合物包裹體增強(qiáng)了聲子散射。此外，無機(jī)/有機(jī)邊界處形成的界面勢產(chǎn)生了能量過濾效應(yīng)，導(dǎo)致復(fù)合體系的熱功率提高8%。1.5wt%BTS基復(fù)合樣品的最大ZTmax 達(dá)到1.22 (345 K) (Chem . Eng. J, 455, 140923(2023))。

以上研究工作通過研究第二相基元種類、尺度、濃度和不同組合等對(duì)熱電性質(zhì)的影響，揭示其影響規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理，為設(shè)計(jì)和制備高性能n型BTS熱電材料提供科學(xué)依據(jù)，同時(shí)也為其他體系熱電材料的性能提升提供借鑒和參考。

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

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.143397

https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.140923

圖1. (a) BTS/ fwt %MnSb2Se4 (f=0、0.25、0.40、0.50、0.75和1.00)樣品的ZT隨溫度的變化曲線；(b)不同碲化鉍(BTS)體系ZTave平均值的比較。

圖2. (a) 不同碲化鉍(BTS)體系ZT值的比較； (b) 不同碲化鉍(BTS)體系Z值的比較。