先進熱電轉換技術可以實現熱能和電能的直接轉換，作為一種高效、可靠、清潔的能源轉換技術，在製冷以及廢熱回收發電等方面具有重要的應用價值。其中，(Bi,Sb)2Te3(BST)被認為是最理想的p型熱電材料之一，已實現室溫附近的熱電製冷應用。然而，商用熱電模塊的能量轉化效率還不理想（5%左右），嚴重製約了其在低溫範圍的廣泛應用。為了獲得更高的熱電性能，研究人員提出了缺陷工程、能帶工程和納米化等一系列的策略，但要在寬溫度範圍內實現熱電優值（ZT）的全面提高仍具有極大的挑戰性。相比較而言，納米第二相的引入可以提供豐富的異質界面和晶界，可同時調控載流子和聲子在複合材料中的輸運行為，從而在寬溫域內優化ZT。從這個意義上說，新型二維納米材料MXene具有高比表面積和電導率等優勢，有望在提高熱電性能方面發揮重要的作用。但是傳統的複合方法（如球磨或高溫熔鍊等）很難實現二維材料在基體中的均勻分散，其較高的機械能或高溫過程還可能造成二維材料結構的破壞。
針對上述問題，來自東華大學的研究團隊通過水相粉體自組裝方法實現了二維MXene材料Ti3C2Tx與BST粉體的均勻複合，並結合放電等離子體燒結技術成功製得了Ti3C2Tx/BST複合材料。研究發現高導電性的Ti3C2Tx可以在異質界面處形成空穴注入，從而增加了基體的載流子濃度；同時，其功函數會隨其表面端基氧含量的增加而增加，在接觸界面處所形成的能帶彎曲增強了對低能量載流子的散射，有效抑制了載流子大量注入時的Seebeck係數顯著降低；另外，納米片Ti3C2Tx與BST晶粒間新形成的大量界面又會強烈散射中高頻聲子，增加基體的界面熱阻，從而極大降低晶格熱導率，最終實現熱、電輸運的綜合調控，優化了熱電性能。在300~475 K的溫度範圍內，Ti3C2Tx/BST複合材料平均ZT從1.05提升到了1.23。以此複合材料為p型端、商用Bi2(Te,Se)3為n型端，通過對器件的優化設計在237 K溫差下獲得了高達7.8％的能量轉換效率，創造了目前低溫熱電器件報道值的新記錄。此外，MXene的引入還有效提升了複合材料的強度和可加工性，為熱電器件的大規模製備和長期服役奠定了良好基礎。
圖1. a) Ti3C2Tx/BST熱電材料的製備流程示意圖, b) 平均ZT以及c) 熱電轉化效率圖
此項工作不僅提出了實現二維材料與熱電材料均勻複合的新方法，而且也有力地證明了二維 MXene材料作為一種表面功函數可調的高導電第二相在熱電材料應用中的巨大潛力，為高性能熱電材料能量轉換效率的進一步提升提供了一條嶄新的設計思路。
相關工作以發表於學術期刊Advanced Energy Materials。東華大學材料學院博士研究生陸曉芳和中科院上海硅酸鹽研究所張騏昊博士為共同第一作者，東華大學功能材料研究所範宇馳研究員和材料學院王連軍教授為共同通訊作者。
High‐Efficiency Thermoelectric Power Generation Enabled by Homogeneous Incorporation of MXene in (Bi,Sb)2Te3 Matrix
Xiaofang Lu, Qihao Zhang, Jincheng Liao, Hongyi Chen, Yuchi Fan, Juanjuan Xing, Shijia Gu, Jilong Huang, Jiaxin Ma, Jiancheng Wang, Lianjun Wang, Wan Jiang
Adv. Energy Mater., 2020, 10, 1902986, DOI: 10.1002/aenm.201902986
導師介紹
範宇馳
http://cmse.dhu.edu.cn/06/f0/c14707a198384/page.htm
王連軍
http://cmse.dhu.edu.cn/08/c3/c14707a198851/page.htm
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