纳米孔复合高效低成本热电材料

热电材料是一类能够直接实现热-电能相互转化的新型能源材料,由其制成的热电器件具有尺寸多样化、安全可靠、环境友好等诸多优点,在能量回收及局部制冷方面具有广阔的应用前景。如何发展高效而经济的热电材料一直是热电领域的重要研究课题。除了在材料体系方面的探索,近年来针对传统材料的各种新型优化工艺也层出不穷。作为一种极具潜力的调控手段,纳米多孔化的概念其实早在上世纪末就被用于热电的理论研究,然而实验研究方面的进展却鲜有报道,直到近几年才引起人们的关注。

Untitled清华大学材料学院李敬锋教授及其团队长期致力于高性能热电材料及其微型器件技术的研究,最近在纳米多孔化硒化铅(PbSe)基热电复合材料研究方面取得重要进展,相关结果发表在Advanced Science上。

该团队利用机械合金化与放电等离子烧结技术,以新型热电材料PbSe为载体,通过将其与亲水性的纳米二氧化硅粒子(SiO2)复合,成功在三维PbSe材料中引入均匀随机分布的纳米多孔结构,并利用增强的界面散射显著降低了材料热导率,实现了热电性能的提升。该研究发现,在PbSe-SiO2纳米复合体均匀分散的纳米孔直径分布在20-200纳米左右,显著增强声子在复合材料中的界面散射,从而有效降低复合材料的热导率。该研究还发现,多孔结构的形成会在材料中引入晶界势垒散射,虽然它对室温附近的电子传输特性产生影响,但随着温度上升此种散射效应明显减弱,从而材料的高温电学性能所受影响微弱。多孔结构的引入使材料密度降低15%,却使性能提高了20%以上,热电优值在823K达到1.15。多孔结构可以减少基体材料的使用,降低材料成本,且有利于器件轻量化。该研究不仅开发了高效纳米孔复合热电材料的制备技术,而且揭示了纳米孔结构对热电材料性能的影响规律,为其他体系热电材料研究提供重要参考。该工作得到了国家863计划以及国家自然科学基金的资助。