新研究优化硫族热电材料性能

科技日报讯 （记者赵汉斌）当下，能源问题日益严峻，探寻高效、环保的能源转换技术，成为迫切现实需求。作为能直接实现热能和电能相互转换的神奇材料，热电材料一直备受关注。记者4月7日从昆明理工大学了解到，该校材料科学与工程学院教授葛振华团队通过持续攻关，在硫族热电材料领域取得一系列研究进展，国际期刊《先进科学》《晶体生长与设计》《无机化学》《Small》等相继发表了相关研究论文。

受铜精矿冶炼过程的启发，研究团队改进了固态反应并应用于热电材料领域，通过在硫化铜中引入磁性氧化物颗粒，团队成功制备出多孔硫化铜磁性纳米复合材料。在这个过程中，复合成分调节产生了大量析出相和富铜相，同时材料的微结构形成多孔结构，使其热导率有效降低。而且，引入的四氧化三铁粒子不仅降低了载流子浓度，还形成了散射低能载流子的势垒，提高了样品的塞贝克系数。塞贝克系数是衡量材料在温度梯度下产生热电势能力的参数，可反映利用温度差产生电压的能力。系数越大，材料在热电转换方面就越有潜力。

研究显示，温度在773K时，含有2%四氧化三铁的硫化铜样品热电优值（ZT）约为1.3。ZT值越高，热电转换效率就越高。一般来说，当ZT值大于1时，热电材料被认为具有实用价值。

用碘掺杂调控硒化铜热电性能，也是研究的重要一环。声子液体—电子晶体特性是实现硒化铜基材料优异电、热输运性能的关键，但以往高温立方硒化铜在室温下很难获得，限制了其在宽温度范围内的热电性能。“我们提出在水热反应过程中用氢碘酸作为掺杂剂的策略，碘掺杂能有效控制硒化铜的相变，让它在室温下也能存在立方相。”葛振华解释，由于相结构和载流子浓度的变化，碘离子掺杂的硒化铜功率因子显著增加，从而有效提升热能转化为电能的能力。“这一研究为调控硒化铜的相结构和热电性能开辟了新途径。”昆明理工大学材料科学与工程学院教授冯晶说。

此外，研究团队在制备超高热电优值的硫化铋热电材料，以及应用准同质掺杂提升铜锑硫基热电材料性能方面，也取得了新成果。

“硫化铋是热电材料研究的热点之一，但它长期面临着在电导率较低的情况下提升热电性能的挑战。”论文第一作者、昆明理工大学硕士研究生杨泽源介绍，团队采用自下而上的策略，通过水热合成法和放电等离子烧结工艺，制备出具有超低热导率的硫化铋热电材料，并取得了硫化铋体系首个超过1的热电优值。在温度为673K时，该材料的热电优值首次超过1，这一成果展示了硫化铋在商业化应用中的巨大潜力。

面对传统的单质掺杂在提升热电材料性能方面存在的固溶度有限问题，研究团队创新提出了准同质掺杂策略，在铜锑硒中添加晶体结构和组成元素高度相似的铜锗硒，显著提高了锗在铜锑硒中的固溶度。这种方法不仅提供了大量载流子，提高了材料的电学性能，还使材料的晶格热导率显著降低。在723K时，添加1.0%铜锗硒的铜锑硒样品ZT值达到1.0，在323K—723K温度范围内平均ZT值为0.56，且材料的机械性能也显著增强。

这些研究成果为硫族热电材料的性能优化提供了多种创新方法，对推动热电材料在可持续能源、汽车工业等领域的应用具有重要意义。