材料學(xué)院趙新兵教授課題組朱鐵軍教授指導(dǎo)的博士生付晨光在新型高優(yōu)值half-Heusler高溫?zé)犭姴牧戏矫娴难芯咳〉弥匾M(jìn)展，相關(guān)論文“Realizing high figure of merit in heavy-band p-type half-Heusler thermoelectric materials”于9月2日在線發(fā)表于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications (IF=11.47)。
固體熱電技術(shù)是一種能夠直接進(jìn)行熱能與電能可逆轉(zhuǎn)換的綠色新型能源技術(shù)。提高熱電材料的轉(zhuǎn)換效率對(duì)于推動(dòng)該技術(shù)在余熱廢熱發(fā)電等領(lǐng)域的應(yīng)用具有著重要意義。作為一種非常有潛力的高溫?zé)犭姴牧希琱alf-Heusler化合物具有組成元素價(jià)格低廉、無(wú)毒、穩(wěn)定性高和力學(xué)性能優(yōu)異等特點(diǎn)。但其相對(duì)較低的轉(zhuǎn)換效率阻礙了該體系的實(shí)際應(yīng)用。
該工作主要圍繞新型p型FeNbSb基half-Heusler化合物展開(kāi)，在他們前期已有研究的基礎(chǔ)上(Adv. Energy Mater., 4, 1400600, 2014; Energy Environm. Sci. 8, 216-220, 2015)，選擇重元素Hf摻雜，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了FeNbSb體系的電學(xué)性能及熱導(dǎo)率的解耦，使得熱電優(yōu)值顯著改善，在1200K時(shí)高達(dá)1.5，這是目前half-Heusler熱電材料獲得的最高值，也顯著優(yōu)于目前已知的其他典型高溫?zé)犭姴牧稀?/span>
基于此高性能的p型FeNb1-xHfxSb化合物以及目前最好的n型ZrNiSn基half-Heusler化合物，他們與中科院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員課題組合作設(shè)計(jì)組裝了8×8的原型高溫?zé)犭娔K。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，該模塊的轉(zhuǎn)換效率在655K溫差下約為6.2%，功率密度可達(dá)2.2 W/cm2。通過(guò)理論估計(jì)，進(jìn)一步提高溫差以及降低界面熱阻，該熱電模塊轉(zhuǎn)換效率可達(dá)12%以上。這一研究成果對(duì)于half-Heusler熱電材料作為高溫功率發(fā)電應(yīng)用有著現(xiàn)實(shí)的推動(dòng)作用。
圖1 、多種高溫?zé)犭姴牧系臒犭妰?yōu)值對(duì)比。 圖2、half-Heusler熱電模塊及其轉(zhuǎn)換效率。
此外，鑒于該課題組近年來(lái)在half-Heusler熱電材料體系的重要貢獻(xiàn)，朱鐵軍教授應(yīng)邀為材料領(lǐng)域著名期刊Adv. Energy Mater.(IF=16.146) 撰寫了關(guān)于half-Heusler熱電材料的綜述文章“High Efficiency Half-Heusler Thermoelectric Materials for Energy Harvesting”，該論文亦已于近期發(fā)表(Adv. Energy Mater., 1500588, 2015)。趙新兵教授課題組近年來(lái)已在高水平期刊Adv. Energy Mater.上發(fā)表學(xué)術(shù)論文4篇，Adv. Funct. Mater. 上3篇，Energy Environm. Sci.上2篇， NPG Asia Mater.上1篇。
以上研究工作得到了國(guó)家科技部973計(jì)劃，國(guó)家自然科學(xué)基金，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，硅材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以及浙江省電池新材料與應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的資助。
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