中科院廣州能源所太陽(yáng)能團(tuán)隊(duì)在苗蕾研究員的帶領(lǐng)下，采用化學(xué)調(diào)控和自下而上的組裝方法創(chuàng)新設(shè)計(jì)和制備了一系列n-型金屬氧化物類熱電材料，取得了同類材料最高的熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值0.35 @ 700oC。該材料制備方法簡(jiǎn)單，無(wú)毒無(wú)污染，成本低廉，具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，并在研究過(guò)程中首次提出了一種全新的載流子的非對(duì)稱遷移導(dǎo)致了功率因子提高的理論。該研究成果對(duì)進(jìn)一步開發(fā)新型高效的綠色熱電轉(zhuǎn)換材料奠定了扎實(shí)的理論和材料制備技術(shù)基礎(chǔ)。下面詳細(xì)闡述此次研究成果。
1）低維巨熱金屬氧化物熱電材料的合成。采用簡(jiǎn)單、成本低廉且對(duì)外界環(huán)境無(wú)污染的水熱反應(yīng)制備了分散性好、管徑均勻的鈦酸鈉（Na2-x HxTi3O7）納米管。通過(guò)摻雜調(diào)控的方法研究了成管機(jī)理。這種納米管具有超低的晶格熱導(dǎo)率（低于0.1 W/mK）。采用離子交換法成功地把多層壁間的Na+ 離子交換為Ag+ 離子然后轉(zhuǎn)換為Ag2O的納米顆粒。高溫?zé)Y(jié)后成功地制備了包覆銀納米顆粒的塊體復(fù)合材料。這種由下至上合成的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的功率因子由于界面處的載流子過(guò)濾效應(yīng)而得到很大提升。且由于納米顆粒對(duì)聲子的散射作用，抑制了熱導(dǎo)率提高，最終熱電性能得到顯著提高。該結(jié)果發(fā)表在ACS Appl Mater & Inter和J.Mater.Chem. 期刊。
2）創(chuàng)新設(shè)計(jì)和利用燃燒法制備了超細(xì)的鈦基納米顆粒。通過(guò)化學(xué)調(diào)控,得到了熱電性能大幅提高的一類過(guò)渡金屬鈦基氧化物熱電材料。這種材料不僅制備簡(jiǎn)單，無(wú)毒無(wú)污染，成本低廉，具有很高的熱電性能和熱穩(wěn)定性。獲得了目前n-型過(guò)渡金屬氧化物中最高的熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值（ZT）：0.35@700oC。這種熱電材料表現(xiàn)出增強(qiáng)的功率因子的同時(shí)明顯降低熱導(dǎo)率。通過(guò)大型軟件Material Studio平臺(tái)上的CASTEP軟件的理論計(jì)算，結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們提出一種全新的理論解釋：特殊的化學(xué)調(diào)控方式導(dǎo)致了晶格結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)烈形變，由晶格局部形變引起的載流子在費(fèi)米能級(jí)兩邊的非對(duì)稱遷移增強(qiáng)（空穴的負(fù)反饋?zhàn)饔么蟠笙酰捎谫M(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度很高，載流子濃度增加引起的費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)可以忽略），由于載流子的非對(duì)稱遷移導(dǎo)致了功率因子的提高，從而能在維持賽貝克系數(shù)不變的同時(shí)增加電導(dǎo)率。由于經(jīng)過(guò)化學(xué)調(diào)控的樣品包含納米尺度的結(jié)構(gòu)物，所以熱導(dǎo)率也得到明顯降低。從而取得了至今為止n型氧化物熱電優(yōu)值的極大值0.35@700oC。該結(jié)果投稿到J.Am.Chem.Soc.后再創(chuàng)新性方面獲得評(píng)價(jià)（審稿意見部分摘錄：in this paper, the authors described a method of combustion to produce Nb-doped anatase TiO2 nanoparticles with a diameter ~ 10 nm, and investigate the TE properties of a composite made out of the as-synthesized particles. A reasonable ZT is achieved, with detailed electrical and thermal transport data supported as well as the band structure calculations. overall, i believe it is well written, with noticeable novel elements crafted.）
此項(xiàng)成果的國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)與學(xué)術(shù)影響 (a) 此項(xiàng)成果有10篇SCI論文，2件授權(quán)發(fā)明專利; (b) 獲得了2012年廣東省科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)三等獎(jiǎng)（自然科學(xué)）; (c) 獲得了1項(xiàng)國(guó)際會(huì)議邀請(qǐng)報(bào)告: Lei. Miao, R. Huang, K.Yoshida, C.Y.Liu, C.M.Huang, G. Xu, C. Fisher & S. Tanemura, “Giant p-Type Seebeck Coefficient Newly Found in Protonated- Titanate-Nanotubes”, 27th International Korea-Japan Semin，Nano-materials-I-02, Incheon, Nov.24, 2010, Korea. (d) 其中采用加熱型模板法合成一維納米氧化物材料被美國(guó)伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的XiaoBo Chen等在Chem Rev 2007，107（7）2893-2896 雜志作為一種新的納米材料合成方法大段引用；該合成方法的系列三篇文章近5年內(nèi)被他引達(dá)到117次。