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新研究優(yōu)化硫族熱電材料性能

文章來源：全球新材料網(wǎng) 更新時(shí)間：2025-04-11 15:32:10

科技日報(bào)訊（記者趙漢斌）當(dāng)下，能源問題日益嚴(yán)峻，探尋高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，成為迫切現(xiàn)實(shí)需求。作為能直接實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的神奇材料，熱電材料一直備受關(guān)注。記者4月7日從昆明理工大學(xué)了解到，該校材料科學(xué)與工程學(xué)院教授葛振華團(tuán)隊(duì)通過持續(xù)攻關(guān)，在硫族熱電材料領(lǐng)域取得一系列研究進(jìn)展，國際期刊《先進(jìn)科學(xué)》《晶體生長與設(shè)計(jì)》《無機(jī)化學(xué)》《Small》等相繼發(fā)表了相關(guān)研究論文。

　　受銅精礦冶煉過程的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)改進(jìn)了固態(tài)反應(yīng)并應(yīng)用于熱電材料領(lǐng)域，通過在硫化銅中引入磁性氧化物顆粒，團(tuán)隊(duì)成功制備出多孔硫化銅磁性納米復(fù)合材料。在這個(gè)過程中，復(fù)合成分調(diào)節(jié)產(chǎn)生了大量析出相和富銅相，同時(shí)材料的微結(jié)構(gòu)形成多孔結(jié)構(gòu)，使其熱導(dǎo)率有效降低。而且，引入的四氧化三鐵粒子不僅降低了載流子濃度，還形成了散射低能載流子的勢壘，提高了樣品的塞貝克系數(shù)。塞貝克系數(shù)是衡量材料在溫度梯度下產(chǎn)生熱電勢能力的參數(shù)，可反映利用溫度差產(chǎn)生電壓的能力。系數(shù)越大，材料在熱電轉(zhuǎn)換方面就越有潛力。

　　研究顯示，溫度在773K時(shí)，含有2%四氧化三鐵的硫化銅樣品熱電優(yōu)值（ZT）約為1.3。ZT值越高，熱電轉(zhuǎn)換效率就越高。一般來說，當(dāng)ZT值大于1時(shí)，熱電材料被認(rèn)為具有實(shí)用價(jià)值。

　　用碘摻雜調(diào)控硒化銅熱電性能，也是研究的重要一環(huán)。聲子液體—電子晶體特性是實(shí)現(xiàn)硒化銅基材料優(yōu)異電、熱輸運(yùn)性能的關(guān)鍵，但以往高溫立方硒化銅在室溫下很難獲得，限制了其在寬溫度范圍內(nèi)的熱電性能。“我們提出在水熱反應(yīng)過程中用氫碘酸作為摻雜劑的策略，碘摻雜能有效控制硒化銅的相變，讓它在室溫下也能存在立方相。”葛振華解釋，由于相結(jié)構(gòu)和載流子濃度的變化，碘離子摻雜的硒化銅功率因子顯著增加，從而有效提升熱能轉(zhuǎn)化為電能的能力。“這一研究為調(diào)控硒化銅的相結(jié)構(gòu)和熱電性能開辟了新途徑。”昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授馮晶說。

　　此外，研究團(tuán)隊(duì)在制備超高熱電優(yōu)值的硫化鉍熱電材料，以及應(yīng)用準(zhǔn)同質(zhì)摻雜提升銅銻硫基熱電材料性能方面，也取得了新成果。

　　“硫化鉍是熱電材料研究的熱點(diǎn)之一，但它長期面臨著在電導(dǎo)率較低的情況下提升熱電性能的挑戰(zhàn)。”論文第一作者、昆明理工大學(xué)碩士研究生楊澤源介紹，團(tuán)隊(duì)采用自下而上的策略，通過水熱合成法和放電等離子燒結(jié)工藝，制備出具有超低熱導(dǎo)率的硫化鉍熱電材料，并取得了硫化鉍體系首個(gè)超過1的熱電優(yōu)值。在溫度為673K時(shí)，該材料的熱電優(yōu)值首次超過1，這一成果展示了硫化鉍在商業(yè)化應(yīng)用中的巨大潛力。

　　面對傳統(tǒng)的單質(zhì)摻雜在提升熱電材料性能方面存在的固溶度有限問題，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了準(zhǔn)同質(zhì)摻雜策略，在銅銻硒中添加晶體結(jié)構(gòu)和組成元素高度相似的銅鍺硒，顯著提高了鍺在銅銻硒中的固溶度。這種方法不僅提供了大量載流子，提高了材料的電學(xué)性能，還使材料的晶格熱導(dǎo)率顯著降低。在723K時(shí)，添加1.0%銅鍺硒的銅銻硒樣品ZT值達(dá)到1.0，在323K—723K溫度范圍內(nèi)平均ZT值為0.56，且材料的機(jī)械性能也顯著增強(qiáng)。

　　這些研究成果為硫族熱電材料的性能優(yōu)化提供了多種創(chuàng)新方法，對推動熱電材料在可持續(xù)能源、汽車工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

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