中科院廣州能源所太陽能團(tuán)隊在苗蕾研究員的帶領(lǐng)下，采用化學(xué)調(diào)控和自下而上的組裝方法創(chuàng)新設(shè)計和制備了一系列n-型金屬氧化物類熱電材料，取得了同類材料最高的熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值0.35 @ 700oC。該材料制備方法簡單，無毒無污染，成本低廉，具有良好的高溫?zé)岱€(wěn)定性，并在研究過程中首次提出了一種全新的載流子的非對稱遷移導(dǎo)致了功率因子提高的理論。該研究成果對進(jìn)一步開發(fā)新型高效的綠色熱電轉(zhuǎn)換材料奠定了扎實的理論和材料制備技術(shù)基礎(chǔ)。下面詳細(xì)闡述此次研究成果。
1）低維巨熱金屬氧化物熱電材料的合成。采用簡單、成本低廉且對外界環(huán)境無污染的水熱反應(yīng)制備了分散性好、管徑均勻的鈦酸鈉（Na2-x HxTi3O7）納米管。通過摻雜調(diào)控的方法研究了成管機(jī)理。這種納米管具有超低的晶格熱導(dǎo)率（低于0.1 W/mK）。采用離子交換法成功地把多層壁間的Na+ 離子交換為Ag+ 離子然后轉(zhuǎn)換為Ag2O的納米顆粒。高溫?zé)Y(jié)后成功地制備了包覆銀納米顆粒的塊體復(fù)合材料。這種由下至上合成的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的功率因子由于界面處的載流子過濾效應(yīng)而得到很大提升。且由于納米顆粒對聲子的散射作用，抑制了熱導(dǎo)率提高，最終熱電性能得到顯著提高。該結(jié)果發(fā)表在ACS Appl Mater & Inter和J.Mater.Chem. 期刊。
2）創(chuàng)新設(shè)計和利用燃燒法制備了超細(xì)的鈦基納米顆粒。通過化學(xué)調(diào)控,得到了熱電性能大幅提高的一類過渡金屬鈦基氧化物熱電材料。這種材料不僅制備簡單，無毒無污染，成本低廉，具有很高的熱電性能和熱穩(wěn)定性。獲得了目前n-型過渡金屬氧化物中最高的熱電轉(zhuǎn)換優(yōu)值（ZT）：0.35@700oC。這種熱電材料表現(xiàn)出增強(qiáng)的功率因子的同時明顯降低熱導(dǎo)率。通過大型軟件Material Studio平臺上的CASTEP軟件的理論計算，結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，我們提出一種全新的理論解釋：特殊的化學(xué)調(diào)控方式導(dǎo)致了晶格結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)烈形變，由晶格局部形變引起的載流子在費(fèi)米能級兩邊的非對稱遷移增強(qiáng)（空穴的負(fù)反饋作用大大消弱，由于費(fèi)米能級附近的態(tài)密度很高，載流子濃度增加引起的費(fèi)米能級移動可以忽略），由于載流子的非對稱遷移導(dǎo)致了功率因子的提高，從而能在維持賽貝克系數(shù)不變的同時增加電導(dǎo)率。由于經(jīng)過化學(xué)調(diào)控的樣品包含納米尺度的結(jié)構(gòu)物，所以熱導(dǎo)率也得到明顯降低。從而取得了至今為止n型氧化物熱電優(yōu)值的極大值0.35@700oC。該結(jié)果投稿到J.Am.Chem.Soc.后再創(chuàng)新性方面獲得評價（審稿意見部分摘錄：in this paper, the authors described a method of combustion to produce Nb-doped anatase TiO2 nanoparticles with a diameter ~ 10 nm, and investigate the TE properties of a composite made out of the as-synthesized particles. A reasonable ZT is achieved, with detailed electrical and thermal transport data supported as well as the band structure calculations. overall, i believe it is well written, with noticeable novel elements crafted.）
此項成果的國內(nèi)外評價與學(xué)術(shù)影響 (a) 此項成果有10篇SCI論文，2件授權(quán)發(fā)明專利; (b) 獲得了2012年廣東省科學(xué)技術(shù)獎三等獎（自然科學(xué)）; (c) 獲得了1項國際會議邀請報告: Lei. Miao, R. Huang, K.Yoshida, C.Y.Liu, C.M.Huang, G. Xu, C. Fisher & S. Tanemura, “Giant p-Type Seebeck Coefficient Newly Found in Protonated- Titanate-Nanotubes”, 27th International Korea-Japan Semin，Nano-materials-I-02, Incheon, Nov.24, 2010, Korea. (d) 其中采用加熱型模板法合成一維納米氧化物材料被美國伯克利國家實驗室的XiaoBo Chen等在Chem Rev 2007，107（7）2893-2896 雜志作為一種新的納米材料合成方法大段引用；該合成方法的系列三篇文章近5年內(nèi)被他引達(dá)到117次。