《Acta Materialia》:提高n型熱電材料的本徵熱穩定性以實現應用

材料material 發佈 2023-12-06T05:19:08.194019+00:00

鑑於對能源的需求不斷增加及其對全球環境的影響,迫切需要可持續的能源轉換技術。最有前途的候選技術之一是熱電技術,它能夠在熱能和電能之間直接轉換,適用於廣泛的應用,包括廢熱收集、熱管理和物聯網 (IoT) 設備的自供電。

鑑於對能源的需求不斷增加及其對全球環境的影響,迫切需要可持續的能源轉換技術。最有前途的候選技術之一是熱電技術,它能夠在熱能和電能之間直接轉換,適用於廣泛的應用,包括廢熱收集、熱管理和物聯網 (IoT) 設備的自供電。熱電模塊的轉換效率由卡諾效率及其組成熱電材料的無量綱品質因數決定,定義為 zT = (σS2 /κ)T,其中 σ、S 和 κ 是電導率,材料的塞貝克係數和導熱係數,T 是絕對溫度。基於 Mg3Sb2 的 Zintl 化合物由於其有利的特性(例如在很寬的溫度範圍內具有高熱電性能、低成本和機械穩定性)而在熱電發電方面顯示出巨大的潛力。然而,它們的實際應用受到高溫下顯著鎂損失引起的低熱穩定性的嚴重阻礙。


在這裡,為了本質上提高Mg3Sb2 基材料的熱穩定性,來自美國休斯頓大學和河南大學的學者提出了在 Mg 位置摻雜 Mn 的策略,並發現它是有效的。除了具有高平均 zT 外,Mn 摻雜的 Mg3Sb1.5Bi0.5在 673 K 下連續 40 小時的電性能測量中表現出可忽略不計的電性能變化。微觀結構和成分分析證實了 Mn 摻雜的高結構穩定性樣品經過長期原位測量。密度泛函理論 (DFT) 計算表明,與 Mg-Mg 鍵相比,Mn 和 Mg 原子之間的鍵合更強,這可以顯著抑制 Mg 空位的形成,從而提高了錳摻雜化合物的熱穩定性。這項研究展示了一種開發具有高 zT和本質上改進的熱穩定可靠熱電材料新方法。相關文章以「Intrinsic thermal stability enhancement in n-type Mg3Sb2 thermoelectrics toward practical applications」標題發表在Acta Materialia。


論文連結:

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.118752


圖 1. 與溫度相關的 (a) 電導率,(b) 塞貝克係數,(c)功率因數,(d) 總熱導率,和 (e) Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01的品質因數, Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01和 Mg3.1Sb1.5Bi0.49Te0.01。 (f) Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01、Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01、Mg3.1Sb1.5Bi0.49 Te0.01 在 323 K 和 673 K 溫度範圍內的平均品質因數比較.


圖 2. 在 673 K 下的長期原位連續電性能測量,Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01、Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01和 Mg3.1Sb1.5Bi0.49Te0.01。ρ、S 和 PF 表示在指定時間測量的屬性值;ρ0、S0 和 PF0 表示屬性的初始值


圖 3. 在 673 K 下長期原位測量後樣品的微觀結構分析:分別為 (a, b) Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01斷口的截面 SEM 圖像和 EDS 映射,(c,d)Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01,和(e,f)Mg3.1Sb1.5Bi0.49Te0.01。


圖 4. 在673 K下進行長期原位測量前後,分別對(a,b)Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01、(c,d)Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01和(e,f)Mg3.1Sb1.5Bi0.49Te0.01進行EDS點分析


圖 5. Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01的 (a) ρ/ρ0、(b) S/S0 和 (c) PF/PF0 在 673 K 下的長期原位連續電子特性測量, Mg3.15Mn0.05Sb1.5Bi0.49Te0.01和 Mg3.175Mn0.025Sb1.5Bi0.49Te0.01。


圖 6. (a) Mg3Sb2Zintl 化合物的晶體結構。在 (b) 富Mg 和 (c) 富 Sb 條件下本徵和 Mn 摻雜的Mg3Sb2 化合物中 Mg1 和 Mg2 的空位形成能。 (d) 基於DFT 平面波計算的 Mg-Mg 和 Mn-Mg 鍵合相互作用的 COHP 分析。


總之,Mn摻雜同時提高了Mg3Sb2基化合物的熱電性能和本徵熱穩定性。在Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01中可以獲得 ~1.16 的高平均 zT,高於 Mg3.2Sb1.5Bi0.49Te0.01 和 Mg3.1Sb1.5Bi0.49Te0.01。更重要的是,Mn 摻雜組合物在 673 K 下 40小時的原位測量中顯示出基本恆定的電性能。該化合物性能的高溫穩定性可歸因於通過 Mn 摻雜穩定其結構,從而抑制 Mg 損失並保持高溫下的熱電性能。 DFT 計算證實,該化合物的長期結構穩定性可歸因於與 Mg-Mg 鍵相比,Mn 和 Mg 原子之間的鍵合更強。憑藉其改進的平均 zT 和更好的熱穩定性,Mg3.1Mn0.1Sb1.5Bi0.49Te0.01可被視為實際熱電應用的有前途的候選者。更重要的是,這種摻雜策略可以廣泛用於通過缺陷和鍵合工程從本質上提高其他熱電材料的熱穩定性。(文:SSC)


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