Angew. Chem. Int. Ed. VIP：重构二元金属硫化物能带结构来合成具有高性能，环保和高成本效益的热电材料Bi13S18I2

【引言】

最近，热电材料独特的优势引起了广泛的关注，但是由于内部综合复杂性和运输特性之间复杂的相互作用而未被深入研究，现在通过插入第三种试剂来拆分和重构标准二元化合物引起了电子器件和辐射探测器等各个领域的探索， 该方法也可以重构二元热电化合物的晶体结构，实现电子和声子结构的改变，从而获得环保、廉价、高性能的热电材料。

【成果简介】

近日，爱荷华州立大学化学与生物工程系的吴越教授（通讯作者）和南京理工大学化学工程学院的徐骉教授（第一作者）的团队在Angew. Chem. Int. Ed发表了题为"Manipulating Band Structure through Reconstruction of Binary Metal Sulfide for High-Performance Thermoelectrics in Solution-Synthesized Nanostructured Bi₁₃S₁₈I₂"的文章，通过插入第三种试剂来重建典型的二元化合物可以显着地改变它们的电子和声子结构。他们通过添加无序Bi和弱键合I来重建Bi₂S₃，获得的纳米结构的Bi₁₃S₁₈I₂代表第一个zT达到1.0的无毒，成本低且可溶液加工的n型材料。在这项工作中，该课题组选择n型二元金属硫化物Bi₂S₃，并插入第三个与环境相容且富含元素的碘元素，由此产生的Bi₁₃S₁₈I₂晶体对称性发生了变化，以达到修饰电子和声子结构的目的， 因此，由于它的高性能这种材料有望成为传统Te基热电材料的替代品。由于该项研究的原创性、新颖性和重要性，此文被评为VIP（very important paper）。

【图文导读】

图1：晶体结构图

a-b: Bi₁₃S₁₈I₂相对于Bi₂S₃结构，虚线圆表示来自Bi₂S₃的Bi₁₃S₁₈I₂中的遗传片段；

c:本体Bi₁₃S₁₈I₂的粉末X射线衍射图。

图2：Bi₁₃S₁₈I₂的微观结构图

a-b: Bi₁₃S₁₈I₂纳米棒低倍率和高分辨率TEM图；

c:傅立叶变换图案；

d:诱导晶体学各向异性的放电等离子体烧结过程的图；

e:烧结的纳米结构材料的XRD图；

f:烧结的纳米Bi₁₃S₁₈I₂的聚焦离子束切割薄部分的TEM图；

g:烧结的纳米Bi₁₃S₁₈I₂的HAADF-STEM图。

图3：温度与相关性能参数的关系

a:电导率的温度依赖性；

b:霍尔载流子浓度与温度关系；

c:塞贝克系数；

d:功率因数；

e:总热导率；

f:三个Bi₁₃S₁₈I₂样品的zT值。

图4：Bi₁₃S₁₈I₂的的相关理论研究

a:电子能带结构图；

b:态密度图；

c:势阱图；

d:电子局域化函数图；

e:热导值与文献中其他材料对比

f:zT值与文献中其他材料对比

【小结】

该团队通过合成类似的Bi₁₉S₂₇Br₃纳米棒及其纳米结构材料来展示化学可调性， 基于适当的溶液相方法可以合成典型二元金属硫化物（硒化物）的其他开放骨架化合物，这种方法可以改变电子能带结构和声子输运，从而改善其热电性能。 这将丰富多元金属硫化物（硒化物）的大家庭，使其成为环保的热电材料。

文献链接：Manipulating Band Structure through Reconstruction of Binary Metal Sulfide towards High-Performance, Eco-Friendly and Cost-Efficient Thermoelectrics in Solution-Synthesized Nanostructured Bi₁₃S₁₈I₂（Angew. Chem. Int. Ed.2018, DOI: 10.1002/anie.201713223）

团队介绍：

吴越教授，2001年本科毕业于中国科学技术大学化学系，2006年博士毕业于哈佛大学化学系Charles Lieber课题组，2006-2009年于加州大学伯克利分校化学系Paul Alivisatos课题组开展博士后研究，2009年-2014年任职于普渡大学化学工程系，2014年至今任职于美国爱荷华州立大学化学工程系。主要研究方向为纳米热电材料、纳米复合导热材料、二维MXene材料和纳米线生物材料等。

徐骉教授，2009年本科毕业于清华大学化学系，2014年博士毕业于清华大学化学系王训教授课题组，2014年-2017年于美国爱荷华州立大学吴越教授课题组开展博士后研究，2017年12月至今，聘为南京理工大学化工学院教授、博导。主要研究方向为纳米热电材料，相关工作可详见：

Biao Xu,Tianli Feng, Matthias T. Agne, Lin Zhou, Xiulin Ruan, G. Jeffery Snyder,Yue Wu*, Highly Porous Thermoelectric Nanocomposite with Low Thermal Conductivity and High Figure of Merit from Large-Scale Solution-Synthesized Bi₂Te_2.5Se_0.5Hollow Nanostructures,

Angew. Chem. Int. Ed.2017,56, 3546-3551. VIP，

Biao Xu,Matthias T. Agne, Tianli Feng, Thomas C. Chasapis, Xiulin Ruan, Yilong Zhou, Haimei Zheng, Je-Hyeong Bahk*, Mercouri G. Kanatzidis, G. Jeffrey Snyder*,Yue Wu*, Nanocomposites from Solution-Synthesized PbTe-BiSbTe Nano-Heterostructure with Unity Figure of Merit at Low-Medium Temperatures (500-600 K),

Adv. Mater.2017, 29, 160540,Inside Front Cover。

本课题组与清华大学、中国科学技术大学和美国爱荷华州立大学等建立了紧密合作关系，具有良好的深造机会，请有意报考本课题组硕士、博士研究生和进行博士后研究者咨询xubiao@njust.edu.cn!

本文由材料人电子电工学术组杨超整理编辑。

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