纳米复合热电材料的研究现状

热电材料纳米复合化是研究高ZT值热电材料的一个重要方向。介绍了纳米复合热电材料的非原位和原位复合方式,分析了纳米复合化提高材料热电性能的原因,提出了纳米复合热电材料具有广阔应用前景的观点。     

纳米复合热电材料研究进展

低维化和纳米化实现电、声输运特性的协同调控从而优化热电性能是当前热电材料领域的一个重要研究方向.通过外混、原位复合等方式引入的纳米颗粒能散射具有中长波波长的声子从而降低材料的晶格热导率,同时纳米化有助于载流子在费米能级附近态密度的提高,纳米颗粒构成的界面所产生的界面势垒能有效过滤低能量载流子,从而增大赛贝克系数.纳米颗粒的含量、分散状态以及颗粒本征性质是设计高性能纳米复合热电材料的关键.对于不同材料体系,外部混合、原位氧化、分相析出等制备方法为实现微结构控制提供了可能.本文以几个典型材料体系为例介绍微结构调控提高材料热电性能的研究进展,并讨论微结构调控对电、声输运的影响机制.     

上海硅酸盐所在有机-无机复合热电材料领域取得进展

正有机-无机复合热电材料不仅具有有机材料质轻、高延展性、低成本、易制备等优点,而且可以获得比纯有机材料更加优异的热电性能,近年来持续受到热点关注。然而,传统的采用原位聚合或机械混合法制得的有机/无机复合热电材料,存在着无机纳米颗粒难分散、易氧化、粒径大小难以控制以及无机相添加量过大(通常25wt%)等问题,削弱了实际的复合效果,极大地阻碍了有机/无机复合热电材料的进展。日前,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员陈立东、副     

导电聚苯胺纳米复合热电材料研究进展

导电聚苯胺纳米复合热电材料由于具有制备简单、稳定性高、热导率低等特点引起了人们的广泛关注。综述了聚苯胺纳米复合热电材料的研究进展,主要介绍引入无机纳米相(如碳纳米管、石墨烯以及合金等)的本征性质、加入量、分散状态等因素对苯胺的结晶度、有序链结构及其热电性能的影响,并探讨聚苯胺纳米复合材料热电性能的改性机理,并对其今后的发展提出展望。     

纳米结构热电材料及其在温差电池上的应用

热电材料微观组织结构的纳米化有利于增强对声子的散射,降低材料热导率,从而提高热电材料的性能.采用水热合成方法制备了包含纳米管、纳米线等形态的Bi2Te3基纳米结构粉末.采用真空热压方法制备了含纳米结构粉末的Bi2Te3基纳米复合热电材料.实验结果表明,纳米复合热电材料具有高电导、低热导的优良性能特征.最大无量纲热电优值达到1.3左右,比同类区熔材料提高15%左右.模拟计算表明,用纳米复合材料制备的温差电池的单位面积最大输出功率为1100W·m-2,热电转换效率在8%以上,在余热发电应用领域具有实际应用经济价值.     

聚对苯撑纳米复合提升ZnO基热电材料性能

以溶胶-凝胶法合成了PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料(x=0, 0.025), 再以放电等离子烧结制备成块体, 并对其热电性能进行了研究。由透射电镜照片发现, PPP纳米颗粒尺寸在200 nm以下。热电性能分析表明, 随着PPP添加量的增加, 赛贝克系数先增大后减小。电导率随PPP含量增加而大幅度提高。与ZnO块体材料相比, 溶胶-凝胶法合成的PPP@Zn_1-xCo_xO纳米复合热电材料的热导率大幅度降低, 在640 K时, 9wt% PPP的纳米复合热电材料热导率降低至5.4 W/(m·K)。电导率的增加和热导率的降低, 导致热电性能大幅度提高, 9wt%PPP@Zn_0.975Co_0.025O纳米复合热电材料在870 K时具有最大ZT值(0.16), 是Zn_0.975Co_0.025O材料的8倍。     

层状钴氧化物热电材料的结构调控研究进展

层状钴氧化物热电材料具有性能稳定、可在氧化气氛下长期工作、无毒无污染等优点,已成为热电转换领域研究的热点之一.综述了结构调控技术对层状钴氧化物热电性能的调控和优化,重点介绍了织构取向优化、纳米结构复合化、低维化等结构调控技术的特点,分析了结构调控技术对层状钴氧化物材料热电性能的影响,初步探讨了结构调控技术提高材料热电性能的原因并介绍了层状钴氧化物材料的研发应用现状,并对其发展前景进行了展望.     

PEDOT∶PSS及其纳米复合材料热电性质的研究进展

近年来,随着能源危机的加剧,可以将热能与电能进行直接转换的热电材料得到了广泛的关注。在众多热电材料体系中,有机无机纳米复合热电材料具有独特优势。相比于无机材料,有机材料成本低、质量轻、机械柔韧性好、热导率较低。添加不同类型的添加材料构成纳米复合材料后,额外引入的声子-界面散射能进一步降低热导率,同时有机无机材料能带不匹配引起的载流子筛选效应进一步提升塞贝克(Seebeck)系数。因此,目前大量工作证明有机无机纳米复合热电材料有潜力获得高的热电优值(Figure of merit,ZT),在微型热电制冷器件、柔性可穿戴发电设备、温度传感器等领域均具有光明的应用前景。本文聚焦聚(3, 4-乙烯二氧噻吩)∶聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT∶PSS)热电材料及以其为基底构成的纳米复合材料热电性能的研究工作,综述了提升PEDOT∶PSS热电性能的物理方法、化学试剂改性法等。进一步重点讨论了加入不同类型的无机填料的PEDOT∶PSS基纳米复合材料热电性质的研究进展,并揭示了其热电性能提升的内在机制。     

原位溶剂热和热压制备微纳复合n型CoSb3及热电性能

在块体材料中引入纳米组元构建微纳复合材料是热电材料研究的一个新方向. 采用原位溶剂热和热压方法制备了由纳米晶粒和微米晶粒组成的n 型CoSb₃复合材料. 以CoCl₂、SbCl₃为原料, NaBH₄为还原剂, 乙醇为溶剂, 与熔炼制备的n型CoSb₃微米级别的粉末一起放入高压反应釜中, 在250℃下反应72h得到微纳复合的粉末材料, 热压后得到微纳复合的块体材料. 性能测试结果表明, 该材料表现为典型掺杂半导体的导电特征, 具有较好的电学性能. 微纳复合结构引入大量晶界增强了声子散射, 能有效降低材料的热导率, 并且由纳米组元引起的量子效应能提高材料的Seebeck系数, 使材料的热电性能得到改善. 本工作所制备的微纳复合n型CoSb3具有较低的热导率, 在测试温度范围内, 热导率为2.0～2.3W·m^-1·K^-1. 材料的最大无量纲热电优值在600K时达到0.5.     

聚3, 4-乙烯二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸盐基柔性复合热电材料研究进展

热电材料可以实现热能与电能的直接转化,是一种安全环保的新型能源材料。近年来,随着可穿戴电子设备的发展,柔性热电材料成为研究人员关注的焦点。传统无机热电材料具有优异的热电性能,但由于自身固有的脆性,限制了在柔性领域的发展。聚3, 4-乙烯二氧噻吩: 聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT: PSS)具有高电导率、低热导率和良好的柔性,在柔性热电领域具有巨大的潜力。当选择合适的无机填料与PEDOT: PSS进行复合,可以得到优异的热电性能和良好的力学性能。本文综述了PEDOT: PSS基纳米复合薄膜的最新进展,并详细介绍了提高PEDOT: PSS基纳米复合薄膜热电性能的有效方法。最后,本文总结了实现高性能PEDOT: PSS基柔性热电材料的途径及面对的挑战。      

低维纳米热电材料研究进展

低维纳米热电材料具有优良的热电性能,近年来受到大量研究者的喜爱。本文讨论低维纳米热电材料的机理,综述了零维纳米热电材料、一维纳米热电材料、二维纳米热电材料的最新研究进展,为低维纳米热电材料的进一步深入研究做了初步的总结和预测。     

P型Si80Ge20B0.6-SiC纳米复合材料的微观结构与热电性能研究

采用感应熔炼、球磨与放电等离子烧结的方法制备了SiC第二相均匀分布的Si₈₀Ge₂₀B_0.6-SiC纳米复合热电材料。系统研究了细化Si₈₀Ge₂₀B_0.6晶粒尺寸与复合SiC纳米颗粒对材料热电性能的影响。球磨导致的Si₈₀Ge₂₀B_0.6晶粒尺寸的降低显著增加了材料的晶界数量, 进而增强了晶界对中长波声子的散射, 能够有效降低材料的晶格热导。Si₈₀Ge₂₀B_0.6基体中均匀分布的纳米SiC颗粒提供了额外的散射中心和界面,可进一步增强声子散射,降低材料的晶格热导。在纳米结构化与SiC纳米复合的共同作用下, 材料在1000 K 时热电优值ZT达到了0.62, 较基体提高了17%。证明纳米结构化与纳米复合方法能够共同作用于硅锗合金, 提高其热电性能。     

纳米结构Bi2Te3基热电材料的溶剂热合成

本文评述了近年来溶剂热合成纳米结构Bi2Te3的研究进展，重点讨论了合成过程中的化学反应和晶体生长机制，特别是Bi2Te3纳米管的合成、形成机制和组织结构特征．介绍了含纳米结构Bi2Te3的Bi2Te3基同质纳米复合结构热电材料，其热电优值ZT达到1．25，远高于基体材料，也超过目前的块状先进Bi2Te3基热电材料．     

P型Si_(80)Ge_(20)B_(0.6)-SiC纳米复合材料的微观结构与热电性能研究（英文）

采用感应熔炼、球磨与放电等离子烧结的方法制备了SiC第二相均匀分布的Si_(80)Ge_(20)B_(0.6)-SiC纳米复合热电材料。系统研究了细化Si_(80)Ge_(20)B_(0.6)晶粒尺寸与复合SiC纳米颗粒对材料热电性能的影响。球磨导致的Si_(80)Ge_(20)B_(0.6)晶粒尺寸的降低显著增加了材料的晶界数量,进而增强了晶界对中长波声子的散射,能够有效降低材料的晶格热导。Si_(80)Ge_(20)B_(0.6)基体中均匀分布的纳米SiC颗粒提供了额外的散射中心和界面,可进一步增强声子散射,降低材料的晶格热导。在纳米结构化与SiC纳米复合的共同作用下,材料在1000 K时热电优值ZT达到了0.62,较基体提高了17%。证明纳米结构化与纳米复合方法能够共同作用于硅锗合金,提高其热电性能。     

铁氧体复合吸波材料研究现状

目前信息化的发展使电子和军工行业对吸波材料的需求越来越大。铁氧体作为一种比较成熟的吸波材料,正在朝着纳米化、复合化的方向发展。综述了铁氧体与铁磁合金、无机材料、碳纳米管复合的发展现状,指出了铁氧体复合吸波材料的发展趋势。     

原位溶剂热和热压制备微纳复合n型CoSb3及热电性能

在块体材料中引入纳米组元构建微纳复合材料是热电材料研究的一个新方向. 采用原位溶剂热和热压方法制备了由纳米晶粒和微米晶粒组成的n 型CoSb₃复合材料. 以CoCl₂、SbCl₃为原料, NaBH₄为还原剂, 乙醇为溶剂, 与熔炼制备的n型CoSb₃微米级别的粉末一起放入高压反应釜中, 在250℃下反应72h得到微纳复合的粉末材料, 热压后得到微纳复合的块体材料. 性能测试结果表明, 该材料表现为典型掺杂半导体的导电特征, 具有较好的电学性能. 微纳复合结构引入大量晶界增强了声子散射, 能有效降低材料的热导率, 并且由纳米组元引起的量子效应能提高材料的Seebeck系数, 使材料的热电性能得到改善. 本工作所制备的微纳复合n型CoSb3具有较低的热导率, 在测试温度范围内, 热导率为2.0～2.3W·m^-1·K^-1. 材料的最大无量纲热电优值在600K时达到0.5.     

TiB2/Cu金属基复合材料的研究

重点介绍了非原位复合法与原位复合法制备TiB2/Cu复合材料的过程及材料性能,归纳总结了纳米弥散强化铜合金的结构特点.     

复合材料领域中的纳米技术进展

纳米技术是当代制备材料的新技术,本文作者概要地叙述了纳米粒子的结构特征,并介绍了五种纳米复合材料制备技术——直接分散法、 原位聚合法、前驱体法、 原位插入聚合法、sol-gel技术的机理和特点,及所制备材料的性能,并对纳米复合高聚物进行前途展望。      

A2Se3（A=Bi，Sb）纳米结构及其热电性质研究

在固态制冷和发电机设备应用领域中,A2Se3（A=Bi,Sb）基化合物是非常有前景的热电材料。文章在回顾近年在温和环境下合成A2Se3（A=Bi,Sb）基低维纳米晶的基础上,简要阐述了热电材料国内外研究现状,指出获得Bi2Se/Sb2Se。复合纳米材料和稀土元素及三价离子掺杂A2Se3（A=Bi,Sb）纳米晶体是未来热电材料发展的主要方向。     

聚对苯撑/LiNi_（0.5）Fe_2O_4纳米复合热电材料的制备及其性能研究

本文以流变相反应法原位合成了聚对苯撑/LiNi_（0.5）Fe_2O_4纳米复合热电材料,并对其热电性能进行表征,研究了放电等离子烧结时保温时间对其热电性能的影响.结果发现,复合材料铁氧体颗粒粒径为100—300 nm,其外部被一层聚对苯撑膜包覆.电子在Fe~（2＋）和Fe~（3＋）之间的跳跃机理在铁氧体电导中占主导作用,因此聚对苯撑/LiNi_（0.5）Fe_2O_4复合材料具有n型导电特性.随着保温时间增加,复合材料电导率基本不变,但热导率逐渐增大且Seebeck系数逐渐减小,导致热电优值系数降低.由于结合了有机物高电导率和低热导率以及无机材料高赛贝克系数的优点,所制备的复合材料热电性能较单一材料有较大提高.