他，9篇Science后再发Nature子刊，创新纪录！
米测MeLab
2024-05-22
研究背景
随着全球对能源利用效率和可持续性的日益关注，热电技术作为一种直接将废热转化为电能的可行方案备受关注。研究人员一直在努力寻找高效、成本低廉的热电材料，以推动热电技术的应用。然而，传统的商业热电材料如Bi2Te3面临着原材料稀缺、性能限制等问题，这严重制约了热电技术的可持续发展和广泛应用。热电材料的性能通常通过ZT值来评估，该值与Seebeck系数、电导率和热导率等因素有关。然而，这些物理参数之间存在着相互关联，使得热电材料性能的优化变得十分复杂。此外，传统材料如Bi2Te3受限于其小的带隙和原材料的稀缺性，使得进一步提升其性能变得困难。针对这些问题，研究人员开始探索地球丰富的材料，如铅硫族化合物PbS，作为可能的替代品。然而，由于PbS的固有高热导率和低载流子浓度，其在低温下的热电性能长期以来被忽视。因此，研究人员面临着将PbS材料转化为高性能热电材料的挑战。为了解决这些问题，北京航空航天大学赵立东教授、谢鸿耀教授等人开展了针对PbS的深入研究和优化。通过晶格平整化和Cu间质掺杂等策略，他们成功地改善了PbS的载流子迁移率和低温热电性能。最终，他们开发出了一种低成本、丰富的PbS化合物，具有优越的热电性能。通过这项研究，他们不仅提高了PbS在室温下的热电性能，还成功制备了基于PbS的热电制冷装置和发电器件。以上成果在“Nature Communications”期刊上发表了题为“Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping”的最新论文。
研究亮点
1. 本研究通过晶格平整化和Cu间质掺杂，成功地优化了PbS的热电性能，使其在低温区域表现出显著改善，具有潜力作为固态热泵，同时可能成为商业Bi2Te3材料的可行替代品。2. 在本研究中，优化后的PbS材料实现了记录高的室温ZT达到0.64，这是对传统中温度热电材料的突破，为其在实际应用中的可行性提供了坚实的基础。 3. 研究团队制备了基于n型PbS的热电制冷装置，展现了约36.9 K的冷却温差，这显示了优化后的PbS在实际制冷应用中的潜力。4. 利用优化后的PbS材料，单电节器件的发电效率达到了约8%，表明其在将废热转化为有价值电能方面具有显著潜力，对提高能源利用效率具有重要意义。5. 与商业Bi2Te3相比，PbS材料具有丰富的原材料资源，这使得其在大规模应用方面具有更大的优势，有助于推动热电技术的可持续发展。6. 研究团队通过晶体生长技术进一步提高了PbS材料的载流子迁移率和热电性能，在整个研究温度范围内均实现了良好的性能优化，为其在不同温度下的应用提供了更广阔的可能性。
图文解读
图1：基于PbS的热电材料的高性能和地球丰度，以及热电制冷和发电潜力的比较。 图2. 多晶Pb1+yS0.6Se0.4样品的微观结构和输运性质。
图3. 多晶Pb1.004S0.6Se0.4 + zCu样品的微观结构和输运性质。图4. SPSed样品和晶体Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu样品的微观结构和输运性质。 图5：晶体Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu样品的器件性能。
研究结论
这项研究通过针对稀有元素碲的替代性材料开展深入探索，提出了一种低成本、丰富的PbS材料作为热电技术的新选择。通过对PbS材料进行晶格优化和掺杂调控，成功提高了其在低温下的热电性能，实现了室温下的高ZT值和显著的发电效率，为废热回收和电子设备制冷提供了新的解决方案。这不仅拓展了热电材料的种类和选择范围，也为热电技术的可持续发展和应用提供了重要的科学支撑。这项研究揭示了替代性材料的潜力，为构建更加可持续和高效的能源利用系统提供了启示。Wang, L., Wen, Y., Bai, S. et al. Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping. Nat Commun 15, 3782 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48268-3
