《德国应用化学》报道我校相关研究成果

2022-09-22来源:化学与化工学院作者:娄悦审核人:钱华编辑:葛玲玲阅读:246

近日,我校化学与化工学院徐骉教授团队在国际化学类顶级期刊《德国应用化学》(Angewandte Chemie)上发表了题为《Realizing zT > 2 in Environment-Friendly Monoclinic Cu2S-Tetragonal Cu1.96S Nano-Phase Junctions for Thermoelectrics》的研究论文,文章链接为: https://doi.org/10.1002/anie.202212885化学与化工学院博士研究生黎晓坤、硕士生导师娄悦为本文共同第一作者,南京理工大学徐骉教授和硕士生导师娄悦分别为第一,第二通讯作者。南京理工大学为该项工作的第一完成单位和通讯单位。

热电材料可以在不产生温室气体排放的条件下将废热转化为电能,提供了一条有利环保的发电途径。Cu2S由于具有高元素丰度、低毒性和可供调控的晶体结构,被认为是新一代理想的热电材料。然而,各热电参数之间的物理联系形成了特殊的声子-电子耦合关系,为提升材料的热电性能带来了很大的挑战。晶相调控和界面工程调控等纳米结构构筑策略可以制备出具有独特原子排布方式的新型材料,有望获得优异的热电性能。但涉及到的非常规介稳相、非晶相和异质相材料与传统的热力学稳定相有所不同,通常具有更高的系统能量而导致其稳定性欠佳。因此,开发在常温常压条件下稳定的非常规相合成策略是亟需解决的问题。

鉴于此,南京理工大学徐骉教授团队设计开发了一种基于配体保留的热电材料合成策略,将胶体法制备的Cu2S纳米晶体作为前驱体,在放电等离子体烧结(SPS)过程中,保留的十二硫醇(DDT)表面配体中的硫原子与Cu2S纳米晶发生如下反应:1.96 Cu2S + 0.04 C12H25SH → 2 Cu1.96S + 0.04 C12H26,制备出单斜Cu2S-四方Cu1.96S纳米相异质结构,并通过调控表面配体的含量成功实现了两种物相比例的调控。单斜Cu2S-介稳四方Cu1.96S纳米相界面中的晶格失配增加了材料声子散射,大幅度降低了Cu2-xS材料的晶格热导率。同时,Cu1.96S具有较高的晶体学对称性和丰富的Cu空位,可以增加材料的载流子有效质量和载流子浓度,其主导的调制掺杂效应提高了Cu2-xS材料的载流子迁移率,实现了在保持低热导率的同时得到较高的功率因子。最终,通过对相异质结构的微调控,(Cu2S)0.31(Cu1.96S)0.69样品在932 K温度下实现了金属硫化物中最大zT值2.1,并且该样品还表现出优异的热学稳定性和循环稳定性。

该工作提供了一种材料表面配体协同调控纳米微结构的新策略,探究了纳米相异质结构调控对材料热、电输运性能的影响,为高性能热电材料的设计提供了借鉴。此外,该策略可以成功拓展到具有类似界面结构和组成的半导体纳米材料,为相工程、界面工程等结构调控策略的推广应用提供了更大的发展空间。



图1. 基于配体保留的合成策略制备单斜相Cu2S-介稳四方相Cu1.96S纳米异质结构热电材料示意图。

图2. 单斜相Cu2S-介稳四方相Cu1.96S纳米异质结构表征。


图3. 单斜相Cu2S-介稳四方相Cu1.96S纳米异质结构材料的热电输运性能。 

上述工作得到了江苏省双创人才、江苏省双创博士(JSSCBS20210210215)、南京理工大学软化学与功能材料教育部重点实验室、吉林大学无机合成与制备国家重点实验室和南京大学化学化工学院配位化学国家重点实验室的支持。