Energ. Environ. Sci.：高分散分子級CNTs/Cu2Se雜化材料具備超高熱電性能

編輯部實習生 6年前 (2017-08-14) 3795瀏覽

【引言】

熱電技術作為一種有望解決全球能源危機、減少溫室氣體排放的綠色環保方法，受到了人們的密切關注。如何實現熱電材料的熱電優值（zT）最大化，是目前面臨的最大挑戰。在過去20年里，研究學者嘗試在單相混合物或多相復合材料中引入納米或微米級的雜質，來達到優化熱電優值的目的，其中，構造納米結構能夠最為有效地提高熱電材料的zT，但納米級的雜質極易團聚，導致傳統復合材料的熱電性能無法得到有效提高。然而，含兩種納米或分子尺度組分（有機物和無機物）的混合材料不同于傳統熱電材料，前者更注重向有機導電聚合物中引入少量的無機雜質，以得到超越基體材料的性能特征。但常用的濕化學方法易引入非目標雜質，降低材料的熱電性能，尤其是對氧氣和水敏感的材料。因此，研發一種只引入目標相有機雜質的雜化熱電材料合成工藝在目前極為迫切。

【成果簡介】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東教授、史迅教授和美國西北大學材料系Jeffrey Snyder教授（共同通訊作者）在Energ. Environ. Sci.上發表了一篇名為“Ultrahigh thermoelectric performance in Cu2Se-based hybrid materials with highly dispersed molecular CNTs”的文章，研究人員通過利用金屬Cu和多壁CNTs間特殊的化學相互作用力，成功實現了在CNTs表面原位生長Cu₂Se納米晶，并組裝成一系列的Cu₂Se/CNTs雜化材料。Cu₂Se晶界內部高度單分散的分子級CNTs，大大降低了晶格熱導率和載流子濃度，從而使熱電優值在1000 k時達到2.4，這是一個創紀錄的提升。

【圖文導讀】

圖一 Cu₂Se/CNTs雜化材料的性能測試與合成機制

(a)體系總能量與Cu原子-CNT垂直距離d之間的函數關系圖，右側插圖為當d=1.83?時的電荷密度；

(b) 不同CNTs含量的Cu₂Se/x wt% CNTs雜化材料的熱電優值與溫度的關系（x=0,0.25,0.5,0.75）；

圖二 Cu₂S晶界內部密集分散的CNTs的形貌結構分析

(a) CNTs的低倍TEM圖像；

(b) CNTs的低倍HAADF圖像；

(d,e) 沿CNTs管徑方向的高倍圖像（內部是(e)中標記區域對應的FFT模型）。

圖三不同CNTs含量的Cu₂Se/x wt% CNTs雜化材料的相關參數與溫度的變化關系（x=0,0.25,0.5,0.75）

(a) 賽爾貝克系數S與溫度的變化關系曲線；

(b) 電導率σ與溫度的變化關系曲線；

(d) 熱導率κ與溫度的變化關系曲線。

圖四 Cu₂Se/CNTs雜化材料的工作機理及相關參數測試分析

(a) Cu₂Se/0.75 wt% CNTs在STEM中收集到的球面像差圖像，右側：Cu₂Se/CNTs雜化材料的空穴和聲子傳導示意圖；

(b) 450K時，不同CNTs含量的Cu₂Se/x wt% CNTs雜化材料的熱導率圖譜（x=0,0.25,0.5,0.75）；

(d) Cu₂Se/CNTs雜化材料界面區域的完全耗盡層示意圖（藍色區域）。

圖五不同CNTs含量的Cu₂Se/x wt% CNTs雜化材料的性能參數測試分析

(a) 不同CNTs含量的Cu₂Se/x wt% CNTs雜化材料的縱向和橫向聲速測試；

(b) 300K時Cu₂Se基材料的載流子遷移率隨載流子濃度變化的函數關系圖。

【小結】

本文示范性地證明了金屬Cu和多壁CNTs間化學相互作用力的可利用性，從而合成具有單分散分子級CNTs的Cu₂Se/CNTs雜化材料。這種材料具有特殊的熱、電傳輸性能和遠高于傳統混合材料的熱電性能，說明在納米或分子水平進行有機/無機雜化的方法在熱電領域具有重要意義。除金屬Cu外，如Ag、Ti、Ni、Pd、Pt等金屬與CNTs或其他炭基材料（石墨、石墨烯）都有良好的化學鍵相互作用力。因此，研究人員期望未來的研究能拓展到合成含有這些金屬元素的高熱電性能雜化材料。

文獻鏈接：Ultrahigh thermoelectric performance in Cu2Se-based hybrid materials with highly dispersed molecular CNTs (Energ. Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee01737e)

本文由材料人編輯部朱喜月編譯，趙飛龍審核，點我加入材料人編輯部。

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標簽：熱電材料