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隊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、無運動部件等優(yōu)點，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。

針對當(dāng)前唯一實現(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MnSb2Se4 (MSS) 納米顆粒，實現(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；而降低的熱導(dǎo)率主要來源于MSS納米粒子和位錯對聲子散射的增強。BTS/0.50wt%MSS復(fù)合樣品的最大熱電優(yōu)值ZT高達1.23 ( 345K)，在300-473K溫區(qū)內(nèi)的平均ZT達到了1.15，分別比基體BTS提高48%和42%。同時，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時降低了49%，這主要是由于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(zhì)的影響，揭示其影響規(guī)律和內(nèi)在機理，為設(shè)計和制備高性能n型BTS熱電材料提供科學(xué)依據(jù)，同時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。