《先进能源材料》报道本课题组在MXene显著提升低温热电器件转化效率的最新进展 江莞教授课题组 2019-12-02

发布者:周蓓莹发布时间:2019-12-31浏览次数:423

先进热电转化技术能够实现热能和电能的直接转化,在半导体制冷、废热发电等领域具有广泛的应用前景。在众多热电材料中(Bi,Sb)2Te3被认为是最理想的p型热电材料之一,已实现低温热电制冷应用。然而,商用热电发电模块的热电转化效率仅为5%左右,远低于预期。

近日,本课题组针对提升低温热电材料和热电器件转化效率开展系列工作,采用自组装复合方法制得新型二维材料MXene (Ti3C2Tx)均匀分散的(Bi,Sb)2Te3复合材料。在300~475 K的温度范围内,复合材料平均ZT从1.05提升到了1.23。此外,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,是目前低温热电器件报道的最高值。

[研究内容]

本课题组以p型Bi0.4Sb1.6Te3(BST)为基体,将具有良好亲水性的Ti3C2Tx MXene通过粉体自组装与BST粉体复合,并结合放电等离子体烧结技术制备得到了Ti3C2Tx均匀分散的Ti3C2Tx/BST复合材料。该方法在实现二维材料均匀分散的同时,成功克服了传统制备方法(球磨法和熔炼法)易造成二维材料结构被破坏的缺点。研究发现Ti3C2Tx的高导电性可以在异质界面处形成空穴注入,增加基体的电导率;同时,MXene的功函数会随着表面端基氧含量的增加而增加,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下的Seebeck系数降低;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,极大降低晶格热导率,最终实现热、电输运的综合调控,提升了热电性能。

1. a) Ti3C2Tx/BST热电材料的制备流程示意图, b) 平均ZT以及c) 热电转化效率图


此项工作有力地证明了二维MXene作为一种功函数可调的高导电第二相在热电材料中应用的巨大潜力。通过MXene材料的引入可以实现更高的能量转换效率,为高性能复合材料在热电转换技术中的应用开辟了一条崭新的道路。

3. a) Ti3C2Tx/BST的低能量载流子散射机理图,b) 功率因子以及c)热导率变化图


该项成果发表在国际著名期刊《先进能源材料》(Advanced Energy Materials)上,题为“High-efficiency Thermoelectric Power Generation Enabled by Homogeneous Incorporation of MXene in (Bi,Sb)2Te3 Matrix”(Adv. Energy Mater., 2019, 1902986);本课题组陆晓芳博士和张骐昊博士(现就职于中科院上海硅酸盐研究所)为共同第一作者,范宇驰研究员和王连军教授为共同通讯作者。