Advanced Energy Materials:MXene助力(Bi,Sb)2Te3材料提升热电转化效率

先进热电转换技术可以实现热能和电能的直接转换,作为一种高效、可靠、清洁的能源转换技术,在制冷以及废热回收发电等方面具有重要的应用价值。其中,(Bi,Sb)2Te3 (BST)被认为是最理想的p型热电材料之一,已实现室温附近的热电制冷应用。然而,商用热电模块的能量转化效率还不理想(5%左右),严重制约了其在低温范围的广泛应用。为了获得更高的热电性能,研究人员提出了缺陷工程、能带工程和纳米化等一系列的策略,但要在宽温度范围内实现热电优值(ZT)的全面提高仍具有极大的挑战性。相比较而言,纳米第二相的引入可以提供丰富的异质界面和晶界,可同时调控载流子和声子在复合材料中的输运行为,从而在宽温域内优化ZT。从这个意义上说,新型二维纳米材料MXene具有高比表面积和电导率等优势,有望在提高热电性能方面发挥重要的作用。但是传统的复合方法(如球磨或高温熔炼等)很难实现二维材料在基体中的均匀分散,其较高的机械能或高温过程还可能造成二维材料结构的破坏。

针对上述问题,来自东华大学的研究团队通过水相粉体自组装方法实现了二维MXene材料Ti3C2Tx与BST粉体的均匀复合,并结合放电等离子体烧结技术成功制得了Ti3C2Tx/BST复合材料。研究发现高导电性的Ti3C2Tx可以在异质界面处形成空穴注入,从而增加了基体的载流子浓度;同时,其功函数会随其表面端基氧含量的增加而增加,在接触界面处所形成的能带弯曲增强了对低能量载流子的散射,有效抑制了载流子大量注入时的Seebeck系数显著降低;另外,纳米片Ti3C2Tx与BST晶粒间新形成的大量界面又会强烈散射中高频声子,增加基体的界面热阻,从而极大降低晶格热导率,最终实现热、电输运的综合调控,优化了热电性能。在300~475 K的温度范围内,Ti3C2Tx/BST复合材料平均ZT从1.05提升到了1.23。以此复合材料为p型端、商用Bi2(Te,Se)3为n型端,通过对器件的优化设计在237 K温差下获得了高达7.8%的能量转换效率,创造了目前低温热电器件报道值的新记录。此外,MXene的引入还有效提升了复合材料的强度和可加工性,为热电器件的大规模制备和长期服役奠定了良好基础。

此项工作不仅提出了实现二维材料与热电材料均匀复合的新方法,而且也有力地证明了二维 MXene材料作为一种表面功函数可调的高导电第二相在热电材料应用中的巨大潜力,为高性能热电材料能量转换效率的进一步提升提供了一条崭新的设计思路。

相关工作以(High-efficiency Thermoelectric Power Generation Enabled by Homogeneous Incorporation of MXene in (Bi,Sb)2Te3 Matrix)为题, 发表于学术期刊Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/aenm.201902986)。东华大学材料学院博士研究生陆晓芳和中科院上海硅酸盐研究所张骐昊博士为共同第一作者,东华大学功能材料研究所范宇驰研究员和材料学院王连军教授为共同通讯作者。