热电转换技术利用半导体材料的塞贝克(Seebeck)效应和帕尔贴(Peltier)效应实现热能与电能直接相互转化,具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、有效利用低密度热量等特点,在很多领域具有广泛的应用。近年来,以skutterudite,half-Heusler,类液态材料等为代表的单相热电材料的研究均取得了很大进展。但是,受制于自身的晶体结构和电子能带结构,单相热电材料的性能几乎均已接近甚至达到其理论极大值。
杂化材料(Hybrid material)是由二种不同物相在分子或纳米尺度均匀混合所构成的复合材料。一般来讲,杂化材料的一种物相为无机材料,另一种物相为有机材料。传统复合材料两相的尺寸在微米至毫米甚至更大尺度之间,因而物理性能往往显示简单的两相“复合法则”。由于杂化材料的两种物相在分子或纳米尺度之间均匀混合,因而显示出一些不同于两相基体的新物理特性。目前,杂化材料在涂层、生物医学、建筑、能源等领域都具有极其广泛的研究,在热电材料研究领域也有所尝试。然而,如何实现第二相的均匀分散,获得分子/纳米尺度的两相界面以及其带来的新效应成为杂化热电材料研究的难点和重点。
最近,中国科学院上海硅酸盐研究所史迅研究员和陈立东研究员与南方科技大学何佳清教授、中国台湾中央研究院Mei-Yin Chou教授,美国西北大学Jeff Snyder教授等合作,利用金属Cu原子与多壁碳纳米管之间的化学作用和高能球磨技术,成功制备了碳纳米管沿硒化亚铜(Cu2Se)化合物晶界单根均匀分散的杂化热电材料,将热电优值大幅度提高至2.4。该无机-有机杂化热电材料完全不同于在毫米至微米尺度混合的传统复合热电材料,展现出了一系列有别于Cu2Se和碳纳米管的新的物理性质,丰富和拓宽了热电材料的设计理念。
碳纳米管表面由于自由?电子的存在而具有很高的化学活性。第一性原理计算发现,当金属Cu原子与碳纳米管表面接近时,会产生很强的化学作用。当Cu原子距离碳纳米管表面六元环中心位置1.83 埃时,所形成的化学键的键能为0.24 eV。这使得在利用高能球磨技术将碳纳米管、单质Cu粉和单质Se粉混合时,一部分Cu原子可以化学吸附于碳纳米管表面,进而与Se原子反应,在碳纳米管表面原位生成Cu2Se纳米晶,最终获得碳纳米管在Cu2Se基体中单根均匀分散的Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料。
由碳纳米管和Cu2Se两种物相所构成的新型杂化热电材料在很多物理性能上超越了传统复合材料中简单的两相“复合法则”。例如,虽然碳纳米管沿轴向的晶格热导率(约2000 W/mK)比Cu2Se高约4个数量级,但是Cu2Se/碳纳米管杂化材料的晶格热导率却远低于两相基体,仅为0.2-0.4 W/mK。进一步研究发现,碳纳米管/Cu2Se形成的分子/纳米尺度上的两相界面对低频声子的散射以及碳纳米管对Cu2Se晶格的“软化”是造成如此低晶格热导率的根本原因。另外,由于碳纳米管和Cu2Se具有相近的功函数,使得两相界面处的电荷耗尽层宽度并不足以导致对载流子的额外散射,因此Cu2Se/碳纳米管杂化材料的载流子迁移率并没有像传统复合材料一样出现明显降低。综合这些反常的电-热输运性质,Cu2Se/碳纳米管杂化热电材料表现优异的热电性能。在1000 K时,其最高热电优值zT为2.4,较Cu2Se基体提高了约30%。
除Cu原子之外,计算表明其它多种金属原子(如Ag, Ti, Ni, Pd, Pt等)也与碳纳米管、石墨烯等碳基材料存在类似的化学作用。因此,该研究可以拓展至其它包含上述金属元素的热电材料体系以开发新型的高性能无机-有机杂化热电材料。
相关研究成果发表于Energy & Environmental Science杂志(DOI: 10.1039/C7EE01737E),并申请了中国发明专利。
该研究工作得到了国家973计划,国家自然科学基金,中国科学院重点研究项目,上海优秀学科带头人、中国科学院青年创新促进会等的资助和支持。
链接:http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/ee/c7ee01737e
(a) Cu原子在碳纳米管表面的化学键;(b) Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料的热电优值及(c) 制备过程。
Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料的微观形貌。
Cu2Se/碳纳米管无机-有机杂化材料(a)晶格热导率; (b) 载流子浓度和迁移率;(c)两相界面处耗尽层示意图。
删除或更新信息,请邮件至freekaoyan#163.com(#换成@)
上海硅酸盐所在碳纳米管/Cu2Se杂化热电材料研究中取得重要创新性进展_上海硅酸盐研究所
上海硅酸盐研究所 免费考研网/2018-05-05
相关话题/材料 纳米 化学 中国科学院 金属
上海硅酸盐所在“多元高熵热电材料”的快速筛选和设计中取得重要创新性进展_上海硅酸盐研究所
近年来,以加快材料研发进程为目标的“材料基因工程”通过有效整合材料计算、材料合成和表征及数据库技术,快速甄别决定材料性能的关键基本因素,实现科学化的“系统寻优”,完成材料的性能优化和新材料的设计与探索,突破了以往大量经验积累和简单试错为特征的“经验寻优”的传统方式,大大降低了材料研发的周期和成本。以 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所提出“纳米催化医学”肿瘤治疗新策略_上海硅酸盐研究所
癌症是少数现代医学仍然无法攻克的疾病之一,癌细胞以其复杂多样的代谢方式和生态微环境给癌症的治疗带来极大的困难。在目前癌症的治疗策略中,化疗仍然是一种最常用的手段之一。但常规的癌症化疗,在高毒性的药物作用于全身造成强烈毒副作用的同时,病灶的药效却随之大幅降低。事实上,强毒副作用与低化疗效果成为了癌症病 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项大功率激光材料与器件方向年度技..._上海硅酸盐研究所
近日,由中国科学院理化技术研究所和华南理工大学牵头承担的国家重点研发计划“战略性先进电子材料”重点专项大功率激光材料与器件方向技术研讨会在中国科学院上海硅酸盐研究所召开。科学技术部高技术研究发展中心材料处处长史冬梅、重点专项主管杨斌,项目责任专家中国科学院光电研究院副院长樊仲维、西南技术物理研究所余 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所集成计算材料研究中心开展学术交流活动_上海硅酸盐研究所
6月28日,中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室举行了2017年度集成计算材料研究中心学术交流会。上海硅酸盐所所长宋力昕,副所长曹红梅,所长助理、科技发展部部长闫继娜,高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室主任、计算中心主任陈立东研究员,计算中心刘建军研究员,客座教授张文清研究员 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所举办上海材料基因组工程研究院材料信息与数据科学前沿专题学术报告会_上海硅酸盐研究所
7月3日上午,中国科学院上海硅酸盐研究所举办“上海材料基因组工程院材料信息与数据科学前沿”专题学术报告会,中国科学院院士、上海大学材料基因研究院院长张统一,上海大学钱权教授应邀作学术报告。上海硅酸盐所副所长曹红梅,所长助理、科技发展部部长闫继娜等出席,来自所内外的80余位科研人员和研究生参加了报告会 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所在氟基储能材料研究中取得重要进展_上海硅酸盐研究所
近日,中国科学院上海硅酸盐研究所李驰麟研究员带领的团队在氟基储能材料研究中取得新进展,他们首次提出立方钙钛矿相可用于高倍率储钠电极,在不显著改变配体链接方式的情况下,仅通过操纵通道填充即可实现已知结构原型的开框架化,获得了具有优异电化学性能的钠离子电池正极材料,相关论文在线发表在Adv.Funct. ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所在新型碳氮材料的储能应用与空间限域的自催化制备方面取得重要研究进展_上海硅酸盐研究所
最近,中国科学院上海硅酸盐研究所与浙江大学、北京大学等合作,成功制备出一种新型导电碳氮化合物。该材料具有丰富介孔和微孔结构,氮含量高达~15at%,优异导电性为>2Scm?1,在应用于超级电容器电极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性,比容量高达372Fg?1,远高于商用活性炭材料(<250Fg?1 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所在锂空气电池电极材料的设计和机理研究方面取得重要进展_上海硅酸盐研究所
锂空气二次电池因具有超高的理论比能量而成为国际上的研究与开发热点,然而由于其正极复杂的气-液-固共存的三相结构,及其在循环稳定性、能量效率等方面所存在的问题,其实际应用仍然面临很大的挑战,开发高效的空气电极催化剂等材料十分迫切。近日,中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银研究员带领的团队在锂空气电池电极材 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05上海硅酸盐所钱荣副研究员荣获首届“中国科学院院所两级公共技术服务中心优秀个人..._上海硅酸盐研究所
5月16日,中国科学院条件保障与财务局发布通知,经专家评审,授予5个集体“2017年度中国科学院院所两级公共技术服务中心优秀集体”和10位同志“2017年度中国科学院院所两级公共技术服务中心优秀个人”称号,以表彰他们为院所两级公共技术服务中心建设和发展所做出的贡献。中国科学院上海硅酸盐研究所所级公共 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05乌克兰国家科学院材料问题研究所所长一行访问上海硅酸盐所_上海硅酸盐研究所
5月10日上午,乌克兰国家科学院材料问题研究所所长、乌克兰科学院院士萨洛宁·尤里·米哈洛维奇一行在原中国驻乌克兰大使馆科技参赞李谦如的陪同下访问中国科学院上海硅酸盐研究所,上海硅酸盐所副所长杨建华,所长助理孙静等参加接待。 访问期间,双方就研究所基本情况、研究领域和科研成果等分别进行了介绍,并对感 ...上海硅酸盐研究所 上海硅酸盐研究所 免费考研网 2018-05-05