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famous程 3个月前 (11-24) 1183浏览

1.【导读】

热电界面材料（TEiMs）是热电发电机发展的重要组成部分。普通热电界面材料使用纯金属或二元合金，但存在性能稳定性问题。热电界面材料的常规筛选通常依赖于试错实验。另外，热电材料与热电界面材料之间的高稳定性匹配设计存在很大挑战，特别是对于目前有限的金属与合金。因此，迫切需要开发一种系统的高稳定性TEiMs筛选策略。

2.【成果掠影】

基于以上研究背景，哈尔滨工业大学隋解和教授与刘紫航教授（共同通讯作者）等人基于密度泛函理论计算的相图预测，开发了一种有效的TEiM筛选策略，为筛选发电应用中高度稳定的TEiMs提供了一种强大而普遍适用的手段。相关研究成果以“Screening strategy for developing thermoelectric interface materials”为题发表在最新一期Science期刊上。

3.【核心创新点】

  1. 基于密度泛函理论计算的相图预测,开发了一种高效的TEiM筛选策略。
  2. 预测MgCuSb是高性能MgAgSb合金的可靠TEiM，实现了9.25%的高热电转换效率。

4.【数据概览】

图1.稳定热电界面材料的筛选策略。© 2023 AAAS

（A）以MgAgSb为例的TEiM筛选策略流程图。

（B）利用OQMD数据库创建的Mg-Ag-Cu-Sb四元相图。

（C）选择化合物与MgAgSb参考样品的室温电阻率ρrt和熔点Tm比较。

图2. MgAgSb/MgCuSb复合材料的显微结构分析。© 2023 AAAS

（A）HAADF STEM图像显示基体中存在纳米沉淀物。

（B）代表性富铜纳米沉淀物的放大STEM图像。

（C）B中选区放大的高分辨TEM图像显示析出物与基体之间有清晰相界。

（D）三维重建显示了组成元素Mg、Ag、Cu和Sb的分布，表明在针状样品右下方存在富Cu区域。

（E、F）Ag和Cu原子的空间分布，表明Ag和Cu在晶界和相界均出现富集。

（G、H）跨越相界（PB）和晶界（GB）的成分分布图，与 D中箭头对应。

图3.界面微观结构及接触电阻率ρC的变化。© 2023 AAAS

（A）烧结初始和退火12小时后Ag/MgAgSb异质结的BSE图像和线扫。

（B）烧结初始和退火16天后MgCuSb/MgAgSb异质结的BSE图像和线扫。

（C）553 K 退火条件下，Ag/MgAgSb和MgCuSb/MgAgSb异质结界面电阻率随退火时间的变化。

图4. MgAgSb/Mg3.2Bi1.5Sb0.5TE模块的发电性能及稳定性。© 2023 AAAS

（A）组装的两对和七对TE模块的照片。

（B、C）两对和七对模块最大能量转换效率η (B)和最大输出功率密度Pd(C)随温差ΔT变化的函数。

（D）模块在Th~553 K和TC~293 K时相对效率η和输出功率P的长期监测。

图5. TEiM/TE结的界面电阻率和微观结构变化。© 2023 AAAS

（A）NiTe2/ Bi0.5Sb1.5Te3异质结。

（B）TiSb2/ZnSb异质结。

（C）CoAl/CoSb3异质结。

（D）CoAl/ZrCoSb异质结。

5.【成果启示】

综上，本工作中作者提出了一种有效的TEiM筛选策略，通过相图计算来进行反应产物的识别。利用这种策略，预测MgCuSb为新兴MgAgSb热电材料的可靠TEiM。实验结果表明，MgCuSb/MgAgSb异质结表现出低接触电阻，组装的热电模块在300 K温差下表现出高达~ 9.25%的转换效率。此外，这种TEiM筛选策略对热电材料具有普遍适用性，突破了高效发电技术的发展瓶颈。

原文详情：Sui, et al. Screening strategy for developing thermoelectric interface materials, Science (2023). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg8392。

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