南科大刘玮书课题组在室温热电材料研究方面取得系列进展
2020年04月27日 科研新闻 浏览量 :1912

近日,我校材料科学与工程系副教授刘玮书课题组在Mg2Sb1.5Bi0.5:Mn0.01刚性室温热电材料和离子液体调制的PEDOT:PSS/IL 柔性热电材料方面取得研究新进展,相关成果分别发表在Research和Journal of Materiomics上。

热电材料是一种可以将热能和电能进行直接转换的新能源材料,基于热电技术制备的热电发电或制冷器件具有无活动部件、无污染、无噪声等优点。传统的经典碲化铋基室温热电材料是目前唯一被商业化量产应用的热电材料,主要应用于固态制冷。虽然该材料含有的Te元素丰度极低,并且力学性能不佳,但是自上世纪60年代被发现以来,一直被工业界沿用至今,没有可替代的材料。随着物联网技术发展,物联网设备环境自供能需求和5G通讯芯片的散热功能都对新型高性能室温热电材料提出了新需求。

在刚性Mg基新型室温热电材料方面,刘玮书课题组与南科大物理系张文清教授和黄丽副教授合作,揭示了基于电子输运通道保护思想的功率因子增益策略,提升了Mg热电材料的室温性能。相关成果以“The Electronic Transport Channel Protection and Tuning in Real Space to Boost the Thermoelectric Performance of Mg3+δSb2-yBiy near Room Temperature”为题发表在由中国科协与《Science》杂志合办的高水平综合性期刊Research上。

该研究详细阐述了由于实空间中Mg-Mg化学键构成的电子输运通道远离阴离子位置,使Mg3Sb2-yBiy材料体系中合金化原子散射声子降低晶格热导率的同时对电子散射较弱,有利于实现电热输运的解耦与分别调控(如图1)。最终,研究成功实现Mg3Sb2-yBiy材料体系室温功率因子的进一步提升,并在Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01材料中实现室温下功率因子最高达约3500 μW m-1K-2,室温ZT达0.75。就在50℃-250℃温度范围内的整体热电性能而言,Mg3+δSb1.0Bi1.0:Mn0.01实现(ZT)avg = 1.13, (PF)avg = 3184 μW m-1K-2, (ZT)eng = 0.56,以及 (PF)eng = 0.63 W m-1 K-1,在转换效率与输出功率两方面均可与传统商用n型Bi2(Te, Se)3热电材料相媲美。

图1 通过调节Mg1-Mg2间距改变导带底电子有效质量

通过实空间化学键与倒易空间中与能谷有效质量相关联的功率因子增益思想,研究人员在该项工作中所揭示的基于电子输运通道保护的策略,对于未来高功率因子热电材料的优化有重要指导意义。

刘玮书课题组访问学生韩志佳和黄丽课题组研究助理教授桂志刚为论文共同第一作者,刘玮书、黄丽为论文共同通讯作者,南科大为论文唯一通讯单位。北京科技大学教授张波萍、南科大物理系副教授吴留锁和何洪涛等为研究作出了重要贡献。

在柔性PEDOT基新型室温热电材料方面,刘玮书课题组在离子液体改性PEDOT/IL有机柔性热电薄膜材料研究的基础上,加入了还原剂调控导电聚合物链氧化态优化策略,使材料在保持良好的力学性能的同时,提高薄膜的塞贝克系数从而达到优化薄膜性能的目的。相关成果以“Enhanced thermoelectric performances of flexible PEDOT:PSS film by synergistically tuning the ordering structure and oxidation state”为题发表在中国硅酸盐学会主办的高水平期刊Journal of Materiomics上。

该研究在基于以往使用离子液体处理PEDOT:PSS导电聚合物所取得成果的基础上,进一步优化了材料的塞贝克系数以实现更好的热电转换效率。对于PEDOT/IL复合有机热电材料,仅靠离子液体对PEDOT:PSS的有序性优化,复合薄膜的塞贝克系数并未得到显著改善,功率因子PF提升不明显。为提高复合物薄膜的塞贝克系数,研究人员提出了使用还原剂对PEDOT:PSS/IL薄膜进行溶液后处理的办法来调控导电聚合物链的氧化态。通过使用绿色还原剂维生素C的后处理,由离子液体EMImTCM掺杂后的PEDOT聚噻吩主链双极化子被有效还原,薄膜内载流子浓度明显降低,从而起到了调控导电聚合物电子结构的作用。对于离子液体EMImTCM掺杂的PEDOT:PSS/IL薄膜经过还原后处理,塞贝克系数从处理前的14μV K-1提高到了22 μV K-1,室温功率因子提高到了117 μW m-1 K-2。最终通过溶液后处理的办法所得到的PEDOT/IL/DD复合有机薄膜仍保有约15%的拉伸应变,且在1000次循环弯曲过程中可维持电学性能基本稳定。

图2 通过离子液体EMImTCM与还原剂维生素C的二次处理优化策略以及同时提高的材料功率因子与拉伸应变

通过对导电聚合物链结构有序性及氧化态的双重调控,研究人员在该项工作中所揭示的基于离子液体与还原剂二次处理调控导电聚合物氧化态的策略,对于未来高功率因子有机柔性热电材料的优化具有重要指导意义。

刘玮书课题组2018级南科大-港大博士生李其锴为论文第一作者,刘玮书为论文通讯作者,南科大为论文唯一通讯单位。刘玮书课题组博士后周清与研究助理文龙也对研究作出了重要贡献。

相关研究得到了国自然基金、科技部重点专项、广创团队项目、SUSTech-MIT机械工程教育科研中心和腾讯公益基金会“科学探索奖”项目的支持。

 

文章链接:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/1672051/

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2352847819302151

 
供稿:材料科学与工程系
通讯员:周斌

主图设计:丘妍
编辑:苗雪宁
 
 

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