注：文末有本文作者科研思路分析
热电技术能够实现热能和电能的直接相互转换，兼具体积小、无振动噪声、服役时间长和环境友好等优点。因此高效热电转换材料在新能源材料中占有十分重要的地位。在众多热电材料体系中，Zintl相（一类含有共价键结构也包括离子键特征的金属间化合物）由于具有典型的“电子晶体-声子玻璃”的特征，近年来得到热电学术界的广泛关注。从材料的热应力和器件处理方面考虑，热电器件最好应由相同基体的p型和n型材料组成，但高性能的n型Zintl热电材料一直未得到发展，直到2016年才有n型Mg3Sb2的相关研究报道。这种材料甚至比现有最好的p型Zintl材料具有更高的热电性能，但是对于n型性质的产生原因却一直存在争议，从而可能阻碍其后续的工业化应用。
美国休斯敦大学的研究团队通过系统研究样品的起始合成组分和最终的成分分析，选取合适的机械球磨和热压工艺，清楚地阐明了镁元素空缺是限制n型Mg3Sb2基热电材料的关键。他们通过只调节镁元素的浓度，发现半导体行为从p型渐渐转化为n型，证明镁空位是主导p型性质的主要原因，而填补这些空位是实现n型性质的关键。
图1. Mg3+xSb1.5Bi0.5相关的热电性能参数：（a）塞贝克系数与温度的关系；（b）电导率与温度的关系；（c）镁元素含量与载流子浓度对应的关系。
但填补多少镁元素空位和究竟是否需要更多的镁元素来提高n型材料的热电性能仍然是一个疑问。为了回答这个问题，作者利用碲元素掺杂优化载流子的浓度，并选取不同量的镁元素进一步研究热电性能，研究结果表明，起始成分中添加少许过量的镁元素可以有效弥补制备过程中的镁损失，从而得到稳定的n型热电性能，但关键的镁空位被填补后，再继续添加多余的镁元素对进一步提高最终的n型热电性质并无帮助。透射电镜分析结果表明，一些多余的镁元素会被分离出来并包裹在样品中，这些分离出来的镁相并未继续明显提高载流子的浓度。另一方面，这些富镁相的晶粒尺寸在微米量级，也不能够有效散射声子，从而降低晶格的热导率。
图2. 左（a-c）热电性能参数与温度的关系；右（a-f）富镁样品Mg3.2Sb1.5Bi0.5的微观结构表征。
该研究从源头上揭示了实现这种特殊n型Zintl相高性能的关键问题，也反映了合成工艺对材料热电性能的影响，为今后探寻和发现更多有潜力的n和p型热电材料提供了可能的研究思路。相关成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是休斯顿大学的博士后帅晶。
该论文作者为：Jing Shuai, Binghui Ge, Jun Mao, Shaowei Song, Yumei Wang, Zhifeng Ren
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Significant Role of Mg Stoichiometry in Designing High Thermoelectric Performance for Mg3(Sb,Bi)2-Based n-Type Zintls
J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 1910, DOI: 10.1021/jacs.7b12767
导师介绍
任志锋
http://www.x-mol.com/university/faculty/44742
课题组链接
https://mynsm.uh.edu/wiki/pages/s4p050e/Professor_Zhifeng_Ren.html
科研思路分析
Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：探索和发现新型高性能的热电材料一直是我们课题组长期致力的研究方向之一，尤其是近十几年来Zintl相热电体系的研究，但寻找匹配的高性能n型Zintl材料一直是个难题。两年前Mg3Sb2的出现打破了僵局，但对于n型的起源仍存在争议，比如合成方法的不同，成分比例的不同等因素为后续研究增加了阻碍。基于此，我们设想探究并解决这个问题。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：该研究中最大的挑战是如何选择有效的合成方法以及可控地调节镁元素的起始量，找到所需的镁元素配比。在此过程中，我们团队在高能球磨领域积累的经验有效解决了精确调控组分的关键，为进一步探讨n型性质的原因提供了前提条件。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或者研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的新能源材料。该n型Mg3Sb2相比于传统的热电材料环境友好、价格低廉且具有高热电性能，是一种比较突出的新型热电材料。该材料可利用废热和温度高达500摄氏度的条件下集中将太阳能转化为电；可以从工厂的烟囱废气获得热生电，再返还给工程系统；也可以利用汽车排放系统的废热转化为电，再供给车辆使用。
本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！
长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！
点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊
