硫化锡的掺杂改性与纳米复合结构调控及其热电性能研究

热电材料在新能源技术领域有着重要的应用，综合考虑资源和环境问题进行新型热电材料体系的研究将是未来该领域的研究趋势。本课题基于SnS与PbTe的相似性以及后者良好的热电性能，选定廉价和环境友好的SnS化合物，旨在研发ZT>1.2的SnS化合物体系高性能热电材料。在揭示SnS纯相块体材料的电学和热学本征物性的基础上，重点研究Sn位掺杂和S位掺杂以及Sn/S位共掺杂对载流子浓度和迁移率的影响规律，从而找到大幅度提高SnS基化合物的功率因子的最优掺杂组合和掺杂量。然后，在掺杂SnS体系中利用非平衡-平衡态相结合的制备技术实现基于强制固溶-原位析出机制的纳米复合结构调控，从而研发出低成本且环境友好的新型高效热电材料。

本课题通过研究SnS的电学与热学本征物性以及掺杂改性，实现了其热电性能的大幅提升。本项目共发表SCI论文24篇，包括J. Mater Chem. A 3篇，Adv. Funct. Mater. 1篇，Adv. Energy Mater. 1篇， Energy & Environ. Sci. 1篇，获得一项授权专利（一种Sn-S基热电化合物的制备方法）。项目负责人在国际会议作7次邀请报告，5位项目人员参加7次国际会议。重要结果如下：.(1) 系统研究了SnS块体材料的粉末法合成及其宽温域热电性能。采用机械合金化（MA）结合放电等离子烧结（SPS）成功制备出单相SnS化合物块体材料，发现SnS的热导率低（400K以上低于1W/mk），但同时具有较高的塞贝克系数（>400mV/K）。.(2) 发现少量Ag掺杂能将SnS的导电性提高4个数量级，费米能级向价带深处移动从而使载流子浓度大幅上升是其主要机制。通过Ag掺杂实现了SnS热电性能的显著提高，ZT值在873K达到0.6，比纯相样品提高了近4倍。该工作在2014年世界热电材料大会（ICT2014）上报道后，引起同行的极大关注。论文发表在《J. Mater. Chem. A》（2014），已经被引用16次。.(3) 系统研究了多晶SnSe及SnSe1-xTex固溶体的热电输运性质，并利用晶界势垒模型成功解释了载流子散射过程和迁移率变化规律。发现SnSe固溶SnTe后引起晶格畸变，大幅降低了热导率。通过Na掺杂实现了材料的电性能提升，在773 K取得最大ZT值0.72。论文发表在2015年的《Phys. Chem. Chem. Phys.》上。.(4) 研究了SiC弥散BiSbTe和PbTe基纳米复合热电材料及其纳米结构对电热输运性能的影响规律，发现能量滤过效应在SiC纳米复合材料中的热电性能增强作用，制备出ZT>1.3的高性能低温热电材料和ZT>1.54（at 723K）的中温热电材料。开展了新型化合物Cu3SbSe3和Cu3SbSe4的合成及其热电性能研究，发现Sn掺杂Cu3SbSe4是一种有潜力的非Te低温热电材料。论文分别发表在2013年的《Adv. Funct. Mater.》（被引36次），2014年的《Adv. Energ. Mater.》（被引7次）和《J. Mater. Chem. A》（被引11次）上。