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ACS AMI | 具有高热稳定性的Cu3SbS4热电材料研究进展


英文原题:Bi and Sn co-doping Enhanced Thermoelectric Properties of Cu3SbS4 Materials with Excellent Thermal Stability

通讯作者:卢思宇、张跃文 郑州大学

作者:Manjie Shen, Siyu Lu,* Zhuangfei Zhang, Hanyu Liu, Weixia Shen, Chao Fang, Qianqian Wang, Liangchao Chen, Yuewen Zhang, * Xiaopeng Jia


实现温差和电能之间的高效转换是近年来能源转换材料领域的研究热点。与传统途径相比,热电材料在利用移动、分散、低品位热源和微电子集成器件制冷方面具有独特优势,制成的热电器件具有结构简单、可靠性高等特点。其中,环保、低成本、高热电性能和良好的热稳定性是热电材料实际应用的关键条件。Cu3SbS4材料具有成本低、环保无毒、储量丰富的优势。尽管已有工作研究了该材料的热电性能,但一些重要的输运参数和热稳定性评价尚未见报道。


近期,郑州大学卢思宇教授和张跃文博士系统研究了Cu3SbS4材料的热电性能及其热稳定性。研究人员通过机械合金和放电等离子体烧结的方法制备了Bi掺杂、Sn掺杂和Bi+Sn共掺杂的Cu3SbS4材料,通过实验和理论相结合的方法阐释了元素掺杂对热电性能的调控机制。研究表明元素掺杂可以有效调控载流子浓度、有效质量和带隙,实现了功率因子的显著提升,最终Cu3Sb1-x-yBixSnyS4(x=0.06, y=0.05) 样品在623 K具有最大zT值0.76。对该材料的杨氏模量、Grüneisen参数、德拜温度等参数进行了测试分析。通过退火处理、同步热分析、升降温循环测试等方法系统评价了在不同温度下该材料热重、物相、热电性能的变化,确定了该材料的应用温度区间为300 K~623 K。经过573 K、500小时的真空退火处理和十几个升降温热电性能测试后仍保持良好的热电性能。这些结果可为Cu3SbS4材料的后续研究提供参考。该材料具有良好的热稳定性,经过进一步的性能提升,Cu3SbS4材料在中低温区热能发电方面具有应用前景。

图1. Cu3SbS4材料的晶粒形貌(a)和局部放大图(b),(c)元素分布Mapping图


图2. Bi、Sn掺杂对Cu3SbS4材料电输运性能的调控效果。(a)Seebeck系数,(b)电阻率,(c)功率因子,(d)载流子浓度与掺杂量的关系,(e)Seebeck系数与载流子浓度的关系,(f)光学带隙


图3. 不同退火时间后Cu3Sb1-x-yBixSnyS4(x=0.06, y=0.05)样品的升降温测试热稳定性。(a)Seebeck系数,(b)电阻率,(c)热导率,(d)zT值,(e)和(f)升降温循环测试zT值的3D图和投影


研究成果发表于近期的ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上。该研究得到国家自然科学基金和国家博士后科学基金项目的资助。


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Bi and Sn Co-doping Enhanced Thermoelectric Properties of Cu3SbS4 Materials with Excellent Thermal Stability

Manjie Shen, Siyu Lu*, Zhuangfei Zhang, Hanyu Liu, Weixia Shen, Chao Fang, Qianqian Wang, Liangchao Chen, Yuewen Zhang*, Xiaopeng Jia

ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, DOI: 10.1021/acsami.9b20854

Publication Date: January 28, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society


(本稿件来自ACS Publications


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