福建物构所高性能环境友好中温热电材料研究获新进展

利用热电材料将废热能量转换成电能,实现能源高效利用,对解决能源危机具有重要意义。高性能热电材料不但要求其具有高的热电品质因子ZT,同时由于受材料热稳定性等因素限制,热电材料有着不同的适用工作温区。根据工作温区一般可将热电材料划分为低温热电材料,代表性的有Bi2Te3,它可在200˚C以下实现有效的热电转换,最大ZT值可达1.2到1.5;高温(>900 K)热电材料,典型代表有SiGe合金材料,其ZT值对于p型和n型材料分别可达1和1.5;大多数废热源一般处于中温(约500–900K)区,因此中温热电材料具有广泛的用途。目前实用的中温热电材料还不多,代表性的有PbTe,其n型和p型材料ZT值分别可达1.3和2.2,但由于该材料含有高浓度重金属Pb,因此在实际应用中会带来一定的环境污染问题。In4Se3是一种潜在的环境友好中温热电材料,其单晶沿bc平面ZT值可达1.5,但ab平面ZT值却只有0.5,由于单晶生长相对困难,且成本较高,因此,限制了该类材料的实际应用。许多材料学家尝试利用掺杂改性实现In4Se3粉末热电性能的提升,目前最好水平只达到ZT值约0.93,离实际应用还有一定差距。

在国家自然科学基金重点和面上项目的支持下,福建物构所结构化学国家重点实验室吴立明课题组在对In4Se3体系掺杂的理论研究工作及结构化学分析的基础上,发现了In4Se3晶体结构中具有4个独立对称性的In原子,而不同金属原子对这些In原子的取代特性并不同相同。计算表明,Pb原子可以取代In4位点,并能有效提高该类材料的载流子浓度,而Sn原子则具有优先取代In2位点的特性。在此分析基础上,该研究组创新性地提出了利用多种原子分别取代不同In原子位点的热电材料共掺杂方案,以期对In4Se3体系的热电性能实现综合改性。实验工作表明,通过Pb/Sn共掺方案能有效改善该材料热电性能,使得掺杂后In4Se3体系热电ZT值提升到1.4,从而有望进入实用阶段。由于材料中只含Pb约1%,与传统中温热电材料PbTe相比较,大大降低了重金属Pb的环境污染问题。该工作相关研究成果发表在国际重要期刊《先进材料》(Advanced Materials)杂志(2013,ASAP, DOI:10.1002/adma.201302038)上。如何进一步保持高热电性能,同时又完全替代Pb金属的研究工作正在进行中。

来源:中科院福建物质结构研究所

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