硫银锗矿结构化合物的超离子特性和低热导率物理机理研究

In recent years, superionic conductor materials, which cause unusually low lattice thermal conductivity for their superionic properties, are attracting researchers’ much attention. Argyrodite-type compounds are one class of typical superionic conductor materials, and their unique superionic properties and suitable band structure result in excellent thermoelectric performance. This project intends to explore the electrical transport and heat transport properties of argyrodite-type compounds, aiming to studying the physical mechanism of low thermal conductivity. The main contents of this project focus on the following aspects: In-depth study on the relationship between the characteristics of superionic property and thermal/electrical conductivity in argyrodite-type compounds, and reveal physical mechanism of low thermal conductivity. Study the electrical transport regulation by energy band engineering and superionic properties in argyrodite-type compounds, and reveal the physical mechanism of the high thermoelectric properties. Compare the physical commonality of argyrodite-type compounds with the Cu2X system, and summarize the basic physical laws of electrical transport and heat transport in superionic thermoelectric materials. This project is a further study on the superionic characteristics and low thermal conductivity in argyrodite-type compounds. The results will enrich the research connotation of superionic thermoelectric, and promote the theoretical progress and application development in the fields of thermoelectricity and battery.

近几年超离子导体材料因其超离子性质导致材料具有低晶格热导率而备受关注；硫银锗矿结构化合物属于典型的超离子导体材料，其独特的超离子特性和合适的能带结构导致该体系拥有优良的热电性能。本项目拟实验探索硫银锗矿结构化合物的电输运和热输运性质，旨在研究该体系的超离子特性及低热导率物理机理。研究内容主要包括：(1)深入研究硫银锗矿热电材料超离子导体特性与热导率、比热之间的关系，揭示此结构材料的低热导率物理机制；(2)研究能带工程和超离子特性对硫银锗矿热电材料的电输运调控，揭示材料高热电性能的物理机理；(3)比较硫银锗矿体系热电材料与Cu2X体系材料的物理共性，总结出超离子导体材料的电输运和热输运基本物理规律。本项目进一步研究硫银锗矿热电材料的超离子特性和低热导率物理机制，其研究成果将会丰富超离子导体热电材料的研究内涵，促进热电领域和电池领域的理论进步及应用发展。

环境污染和能源短缺是制约世界和平与发展的一大问题。环境污染领域中，化工废水尤其是含苯废水的无害化处理一直是一个比较头疼问题；新能源领域中，新能源的开发是解决能源短缺的一大途径，其中电催化制氢催化剂的低过电势和高稳定性是开发氢能的瓶颈。基于此，利用实验室的集群系统（安装有VASP、Wien2k等第一性原理计算软件），和现有实验室的光降解系统和电化学工作站等光电催化和光电降解设备，开展光电催化和光电降解的理论和实验研究。理论研究金属原子掺杂单层CrI3构成的单原子催化剂的电催化制氢性能、实验研究BiOBr/TiO2复合催化剂的光降解含苯有机物（以水杨酸为例）的性能。研究发现：(a)未掺杂的单层CrI3不是一个良好的催化剂， V, Co, Mo, W等作为间隙原子掺杂单层CrI3能有效降低催化剂吸附氢原子前后的总能差值(DGH)，其中Mo原子掺杂的催化剂的DGH值与Pt催化剂相当（DGH = 0.03 eV），如此低的DGH值来源于H与间隙原子之间的弱相互作用，从而有效地提高了析氢反应（HER）性能；(b) 合成温度为160℃、PH = 7合成的BiOBr催化剂对水杨酸（20mg/L）的降解效果最好，降解效率高达97%；研究BiOBr/TiO2复合催化剂对水杨酸降解，发现其与BiOBr在催化效率上几乎无差别，但复合催化剂提高了催化降解速率，节约一半以上的降解时间。理论研究单原子掺杂单层CrI3催化剂的电催化析氢和实验研究BiOBr/TiO2催化剂光催化降解有机废弃物将为氢能的开发和含苯有机物废水处理提供借鉴作用。