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葛振华教授团队在硫化铜材料热电性能协同优化方面取得重要进展

发布日期:2024-03-29 点击量:

日前,99一品二品精区在线材料科学与工程学院金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程研究中心葛振华教授团队在硫化铜材料热电性能协同优化方面取得重要进展,相关研究以《Synergistically optimized electron and phonon transport in high-performance copper sulfides thermoelectric materials via one-pot modulation》为题,发表在顶级学术期刊Nature Communications。99一品二品精区在线为唯一作者单位,材料科学与工程学院博士研究生张益欣为第一作者,葛振华教授为唯一通讯作者。冯晶教授和山泉教授为本工作提供了重要帮助,博士生黄沁源对样品进行了透射电镜表征。

硫化铜热电材料中的多形态相调控策略示意图

由于超过60%的能量以废热的形式损失,因此亟需开发可直接将热能转换为电能的高性能热电材料。硫化铜材料的原料廉价、低毒、来源丰富,并且具有超离子导体的特性,因而具有热电应用潜力。然而,由于电性能和热性能之间存在强烈的关联性,硫化铜材料的热电性能难以显著优化。本研究提出了一种一锅法调控策略,旨在协同优化硫化铜材料的电传输和热输运性能。在利用高温熔融法制备Cu2S材料的过程中添加适量的Sn和Se能够诱导产生Cu2SnSe4第二相、纳米气孔、相界面和位错等多尺度晶格缺陷,这有助于增强全频声子散射,从而整体降低材料的晶格热导率。同时,进一步调控Se的添加量可以引入大量的Cu空位以提升硫化铜材料的空穴载流子浓度,进而显著优化复合材料的电导率。最终,Cu1.992SSe0.016(Cu2SnSe4)0.004样品在873 K时获得了超过1.6的峰值ZT,由于平均ZT值的提升,该样品的单腿热电器件的转换效率也有所提升。此外,多尺度第二相颗粒增强了硫化铜材料的力学性能,Cu空位的引入以及第二相对Cu离子长程迁移的抑制作用改善了硫化铜的电稳定性。本研究为其它体系的材料成分设计和热电性能协同优化方面提供思路借鉴和实验参考。

优化后硫化铜材料的显微结构

葛振华教授自2015年入职99一品二品精区在线以来,从事有色金属基热电材料的合成制备及性能调控研究,深入研究铜基,锡基,铋基热电材料的电传输性能、热传输性能和力学性能的调控方法和增强机理,先后以第一作者和通讯作者身份在Joule, Adv. Mater., JACS, EES等期刊发表了一系列高水平论文,出版学术专著3部;获授权发明专利20余件。相关研究得到云南省杰出青年基金项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、云南省云岭英才青年人才后续支持经费、云南省应用基础研究计划重点项目的资助。相关成果将有助于厘清热电材料电传输与热输运性能之间的关系,为进一步促进器件化制备和产业化奠定基础,为云南省经济发展贡献力量。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-024-47148-0

(供稿:材料学院)

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