近日，我校化學(xué)與化工學(xué)院劉玉課題組與材料科學(xué)與工程學(xué)院閆健課題組，聯(lián)合南昆士蘭大學(xué)洪敏和浙江大學(xué)溫州研究院張宇打破中溫?zé)犭娖骷墓β拭芏燃o(jì)錄，在PbTe基熱電材料及器件構(gòu)筑研究中取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果以“Synergistic Microstructure and Composition Engineering via Na2S Enables High-Performance Porous PbTe Thermoelectrics with Ultrahigh Device Power Density”為題，發(fā)表在國(guó)際著名期刊《Advanced Materials》（先進(jìn)材料）上。合肥工業(yè)大學(xué)為第一/通訊單位，化學(xué)化工學(xué)院2024級(jí)博士生盧少卿為論文第一作者。
中溫余熱回收要求材料兼具高功率因子PF與低熱導(dǎo)率κ，但電子輸運(yùn)與聲子傳熱強(qiáng)耦合。盡管PbTe具有可調(diào)能帶和低晶格熱導(dǎo)κL，但受限于Na受主固溶度、界面散射不足與高溫雙極熱導(dǎo)κb等瓶頸，其材料優(yōu)勢(shì)難以穩(wěn)定轉(zhuǎn)化為器件端的功率密度與效率。因此，亟需在多尺度微結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)寬譜聲子散射，并在成分與能帶層面協(xié)同優(yōu)化受主濃度與能谷收斂的策略，使材料性能能夠以可驗(yàn)證的方式持續(xù)映射到器件層面的同步提升。
本研究提出“Na2S協(xié)同的微結(jié)構(gòu)-組分共設(shè)計(jì)”路線：在真空固相熔融-快淬火-熱壓工藝中，Na2S熱分解釋放含硫揮發(fā)物，原位誘導(dǎo)納米至微米分級(jí)孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)保留的Na優(yōu)先進(jìn)入晶格占位形成受主摻雜，并在晶界處原位生成納米析出相與高密度位錯(cuò)場(chǎng)。由此構(gòu)建的“孔-析出相-位錯(cuò)-細(xì)晶”多級(jí)散射網(wǎng)絡(luò)顯著抑制κL，同時(shí)通過(guò)L-Σ谷收斂與空穴濃度優(yōu)化保持超高PF，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電-聲輸運(yùn)的解耦。
圖1.Na2S協(xié)同設(shè)計(jì)多孔PbTe熱電材料：工藝與機(jī)理示意、材料的熱電性能，以及單對(duì)偶器件的功率密度及其與文獻(xiàn)的對(duì)比。
最終，在材料層面，Pb0.97Na0.03Te-1.0%Na2S在823 K獲得zTmax~2.2，并在623-823 K區(qū)間實(shí)現(xiàn)zTavg~1.9，體現(xiàn)出在中溫域的高性能；循環(huán)與高溫持續(xù)運(yùn)行未見(jiàn)性能衰減，熱穩(wěn)定性良好。在器件層面，基于該材料制備的單腿器件在ΔT=395 K條件下實(shí)現(xiàn)13.4%的熱電轉(zhuǎn)換效率；進(jìn)一步與N型方鈷礦（Yb0.25Co3.75Fe0.25Sb12）集成的單對(duì)偶器件在ΔT=375 K條件下實(shí)現(xiàn)超高功率密度2.2 W cm-2的輸出。
圖2.硫醇-胺配合物前驅(qū)體化學(xué)與界面工程協(xié)同優(yōu)化高效SnTe熱電材料
此外，在與PbTe同族且同屬中溫段典型熱電材料SnTe體系中，劉玉課題組提出并驗(yàn)證了硫醇與胺配合物驅(qū)動(dòng)的可控前驅(qū)體化學(xué)與分子級(jí)界面工程的協(xié)同策略，在溶液體系中實(shí)現(xiàn)SnTe納米晶的規(guī)模化制備，并揭示了前驅(qū)體化學(xué)、表面終止及界面結(jié)構(gòu)對(duì)能帶調(diào)控與聲子散射的關(guān)鍵作用機(jī)制，從而兼顧載流子輸運(yùn)與晶格熱導(dǎo)抑制，推動(dòng)SnTe在中溫?zé)犭妳^(qū)間的綜合性能提升。相關(guān)成果發(fā)表于國(guó)際著名期刊《ACS Nano》。本研究拓展了團(tuán)隊(duì)在近室溫Ag2Se體系的調(diào)控思路（J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 32199-32208），以分子層級(jí)可控化學(xué)為出發(fā)點(diǎn)貫通合成、界面與輸運(yùn)，形成普適性策略范式。化學(xué)與化工學(xué)院2023級(jí)碩士研究生孟維特為為論文第一作者，化學(xué)與化工學(xué)院劉玉、浙江大學(xué)Khak Ho Lim和南昆士蘭大學(xué)洪敏為本文共同通訊作者。
以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)以及安徽省留學(xué)人員創(chuàng)新重點(diǎn)項(xiàng)目等經(jīng)費(fèi)的支持。
論文鏈接：
https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202512589
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.5c12627
（劉玉/文 盧少卿/圖 張金鋒/審核）
責(zé)任編輯：衛(wèi)婷婷
