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  • 《先進能源材料》報道本課題組在MXene顯著提升低溫熱電器件轉化效率的最新進展 江莞教授課題組 2019-12-02

    發布者:周蓓瑩發布時間:2019-12-31瀏覽次數:42

    先進熱電轉化技術能夠實現熱能和電能的直接轉化,在半導體制冷、廢熱發電等領域具有廣泛的應用前景。在眾多熱電材料中(Bi,Sb)2Te3被認為是最理想的p型熱電材料之一,已實現低溫熱電制冷應用。然而,商用熱電發電模塊的熱電轉化效率僅為5%左右,遠低于預期。

    近日,本課題組針對提升低溫熱電材料和熱電器件轉化效率開展系列工作,采用自組裝復合方法制得新型二維材料MXene (Ti3C2Tx)均勻分散的(Bi,Sb)2Te3復合材料。在300~475 K的溫度范圍內,復合材料平均ZT從1.05提升到了1.23。此外,通過對器件的優化設計在237 K溫差下獲得了高達7.8%的能量轉換效率,是目前低溫熱電器件報道的最高值。

    [研究內容]

    本課題組以p型Bi0.4Sb1.6Te3(BST)為基體,將具有良好親水性的Ti3C2Tx MXene通過粉體自組裝與BST粉體復合,并結合放電等離子體燒結技術制備得到了Ti3C2Tx均勻分散的Ti3C2Tx/BST復合材料。該方法在實現二維材料均勻分散的同時,成功克服了傳統制備方法(球磨法和熔煉法)易造成二維材料結構被破壞的缺點。研究發現Ti3C2Tx的高導電性可以在異質界面處形成空穴注入,增加基體的電導率;同時,MXene的功函數會隨著表面端基氧含量的增加而增加,所形成的能帶彎曲增強了對低能量載流子的散射,有效抑制了載流子大量注入下的Seebeck系數降低;另外納米片Ti3C2Tx與BST晶粒間新形成的大量界面又會強烈散射中高頻聲子,極大降低晶格熱導率,最終實現熱、電輸運的綜合調控,提升了熱電性能。

    1. a) Ti3C2Tx/BST熱電材料的制備流程示意圖, b) 平均ZT以及c) 熱電轉化效率圖


    此項工作有力地證明了二維MXene作為一種功函數可調的高導電第二相在熱電材料中應用的巨大潛力。通過MXene材料的引入可以實現更高的能量轉換效率,為高性能復合材料在熱電轉換技術中的應用開辟了一條嶄新的道路。

    3. a) Ti3C2Tx/BST的低能量載流子散射機理圖,b) 功率因子以及c)熱導率變化圖


    該項成果發表在國際著名期刊《先進能源材料》(Advanced Energy Materials)上,題為“High-efficiency Thermoelectric Power Generation Enabled by Homogeneous Incorporation of MXene in (Bi,Sb)2Te3 Matrix”(Adv. Energy Mater., 2019, 1902986);本課題組陸曉芳博士和張騏昊博士(現就職于中科院上海硅酸鹽研究所)為共同第一作者,范宇馳研究員和王連軍教授為共同通訊作者。




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