固體所在碲化鉍合金熱電性能調控方麵取得新進展

近日 ，中科院合肥物質院能源材料與器件製造研究部秦曉英研究員團隊在近室溫碲化鉍熱電材料熱電性能優化研究方麵取得了係列進展 。相關工作發表在工程技術類期刊Chemical Engineering Journal上 。      熱電技術作為解決能源問題的有效途徑 ，近年來引起廣泛關注 。熱電技術可實現熱能與電能的直接相互轉換 ，具有純固態 、無噪音 、無運動部件等優點 ，在深空探測 、廢熱發電利用(能量回收) ，如汽車尾氣熱量回收發電以提升燃油效率等領域已經實現了重要應用 。但是 ，當前N型碲化鉍的熱電優值ZT和能量轉換效率較低 ，這限製了其商業應用 。

針對當前唯一實現商用化的Bi2Te3熱電材料 ，固體所研究人員通過向Bi2Te2.7Se0.3 (BTS)基體中複合無機MnSb2Se4 (MSS) 納米顆粒 ，實現材料功率因子(PF)的提高和熱導率的顯著下降 。研究結果表明，功率因子的增加是由於能量過濾效應引起的塞貝克係數的增強 ；而降低的熱導率主要來源於MSS納米粒子和位錯對聲子散射的增強 。BTS/0.50wt%MSS複合樣品的最大熱電優值ZT高達1.23 ( 345K) ，在300-473K溫區內的平均ZT達到了1.15 ，分別比基體BTS提高48%和42% 。同時 ，複合樣品的維氏硬度提高了17% ，力學性能較好 。該研究表明 ，加入過渡金屬硒化物(如MSS)為改善BTS熱電性能和力學性能提供了新思路(Chem . Eng. J, 467, 143397(2023)) 。

此外 ，研究人員通過複合體係設計與性能調控 ，向BTS基體複合介觀尺度導電聚合物聚苯胺(PANI)納米粒子 ，構建介觀尺度的載流子輸運調控和聲子散射(阻隔)基元 ，研究和探討超低熱導率導電聚合物基元對BTS基複合體係晶格熱導率 、熱電勢及PF等的影響 。研究發現 ，複合體係的晶格熱導率在300 K時降低了49% ，這主要是由於聚合物包裹體增強了聲子散射。此外 ，無機/有機邊界處形成的界麵勢產生了能量過濾效應 ，導致複合體係的熱功率提高8% 。1.5wt%BTS基複合樣品的最大ZTmax 達到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熱電性質的影響 ，揭示其影響規律和內在機理 ，為設計和製備高性能n型BTS熱電材料提供科學依據 ，同時也為其他體係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基金和安徽省自然科學基金以及合肥物質院院長基金的支持 。

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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)體係ZTave平均值的比較 。

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