ACS AMI | 具有高熱穩定性的Cu₃SbS₄熱電材料研究進展

2021-01-10 騰訊網

英文原題：Bi and Sn Co-doping Enhanced Thermoelectric Properties of Cu3SbS4Materials with Excellent Thermal Stability

通訊作者：盧思宇，張躍文，鄭州大學

作者：Manjie Shen, Siyu Lu, Zhuangfei Zhang, Hanyu Liu, Weixia Shen, Chao Fang, Qianqian Wang, Liangchao Chen, Yuewen Zhang, Xiaopeng Jia

實現溫差和電能之間的高效轉換是近年來能源轉換材料領域的研究熱點。與傳統途徑相比，熱電材料在利用移動、分散、低品位熱源和微電子集成器件製冷方面具有獨特優勢，製成的熱電器件具有結構簡單、可靠性高等特點。其中，環保、低成本、高熱電性能和良好的熱穩定性是熱電材料實際應用的關鍵條件。Cu3SbS4材料具有成本低、環保無毒、儲量豐富的優勢。儘管已有工作研究了該材料的熱電性能，但一些重要的輸運參數和熱穩定性評價尚未見報導。

近期，鄭州大學盧思宇教授和張躍文博士系統研究了Cu3SbS4材料的熱電性能及其熱穩定性。研究人員通過機械合金和放電等離子體燒結的方法製備了Bi摻雜、Sn摻雜和Bi+Sn共摻雜的Cu3SbS4材料，通過實驗和理論相結合的方法闡釋了元素摻雜對熱電性能的調控機制。研究表明元素摻雜可以有效調控載流子濃度、有效質量和帶隙，實現了功率因子的顯著提升，最終Cu3Sb1-x-yBixSnyS4(x=0.06, y=0.05) 樣品在623 K具有最大zT值0.76。對該材料的楊氏模量、Grüneisen參數、德拜溫度等參數進行了測試分析。通過退火處理、同步熱分析、升降溫循環測試等方法系統評價了在不同溫度下該材料熱重、物相、熱電性能的變化，確定了該材料的應用溫度區間為300 K~623 K。經過573 K、500小時的真空退火處理和十幾個升降溫熱電性能測試後仍保持良好的熱電性能。這些結果可為Cu3SbS4材料的後續研究提供參考。該材料具有良好的熱穩定性，經過進一步的性能提升，Cu3SbS4材料在中低溫區熱能發電方面具有應用前景。

圖1. Cu3SbS4材料的晶粒形貌(a)和局部放大圖(b)，(c)元素分布Mapping圖

圖2. Bi、Sn摻雜對Cu3SbS4材料電輸運性能的調控效果。(a)Seebeck係數，(b)電阻率，(c)功率因子，(d)載流子濃度與摻雜量的關係，(e)Seebeck係數與載流子濃度的關係，(f)光學帶隙

圖3. 不同退火時間後Cu3Sb1-x-yBixSnyS4（x=0.06, y=0.05）樣品的升降溫測試熱穩定性。(a)Seebeck係數，(b)電阻率，(c)熱導率，(d)zT值，(e)和f）升降溫循環測試zT值的3D圖和投影

研究成果發表於近期的ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。該研究得到國家自然科學基金和國家博士後科學基金項目的資助。

Bi and Sn Co-doping Enhanced Thermoelectric Properties of Cu3SbS4Materials with Excellent Thermal Stability

Manjie Shen, Siyu Lu, Zhuangfei Zhang, Hanyu Liu, Weixia Shen, Chao Fang, Qianqian Wang, Liangchao Chen, Yuewen Zhang, Xiaopeng Jia

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b20854

Publication Date: January 28, 2020

Copyright 2020 American Chemical Society

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