高性能half-Heusler热电材料

(a) n型 Hf0.25Zr0.75NiSn0.99Sb0.01纳米复合材料的扫描电子显微镜图。(b) n型Hf0.25Zr0.75NiSn0.99Sb0.01与p型Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2纳米复合材料ZT随温度的变化曲线。插图为half-Heusler的晶体结构示意图。

随着人口的不断增长,人类活动对环境的影响与日俱增。近年来,汽车尾气等燃烧产物给国内许多城市带来严重的热岛效应和空气污染,这使得如何高效而清洁的利用能源成为大家日益关注的话题。热电材料利用Seebeck效应将温差直接转换为电势差,而由一对n型和p型半导体热电材料组成的器件成为了一种理想的废热发电工具。其中, half-Heusler热电材料最合适在100至800 ⁰C温度 范围内工作。因而该材料可用于汽车和工厂废热的再利用,从而提高燃料的利用效率。

良好的热电材料必须同时具有高电导率(σ)和Seebeck系数(S)以及低热导率(k)。为了实现大规模应用,提高热电优值ZT( T为绝对温度),和降低材料成本是两个必要条件。最近,休斯顿大学的任志锋教授课题组与麻省理工学院陈刚教授课题组合作,利用先电弧加热熔融后球磨加直流辅助快速热压的方法,在n型[(HfZr)NiSnSb]和p型 [(HfZrTi)CoSbSn] half-Heusler热电纳米复合材料的上分别取得了突破,其结果发表在Advanced Energy Materials上。在这两种half-Heusler成分中, 因为Hf的单位价格是任意一种其他元素的6倍以上,所以如何在保持材料良好的ZT值的同时降低Hf的用量成为了half-Heusler的研究热点。任教授课题组和陈教授课题组研究发现,对于n型(HfZr)NiSnSb,当75%的Hf被Zr取代,即成分为Hf0.25Zr0.75NiSn0.99Sb0.01的纳米复合材料仍能实现已报导的在Hf0.5Zr0.5NiSn0.99Sb0.01中获得的最高ZT值1.0 。对于p型(HfZrTi)CoSbSn,目前报导的最高ZT值1.0来自于Hf0.8Ti0.2CoSb0.8Sn0.2。虽然该成分中Hf和Ti的合金效应大大降低了热导率,但是如此高比例的Hf大约占据了86%的材料成本。任教授课题组和陈教授课题组研究表明,利用Zr部分取代Hf和Ti可以同样实现低热导率。在减少了将近一半的Hf用量后,Hf0.44Zr0.44Ti0.12CoSb0.8Sn0.2纳米复合材料仍可以在800 ⁰C下达到ZT值为1.0。这两项成果都体现了合金效应和纳米尺度晶界共同作用对于降低half-Heusler热导率和提高ZT的必要性,并为未来进一步优化half-Heusler成分提供了重要的指导依据。