新型Half-Heusler热电化合物的设计合成与性能调控

Half-Heusler (HH) thermoelectric compounds have been considered as high-potential thermoelectric materials in the medium and high temperature region. However, the present researches of HH thermoelectric materials mostly focus on HH compounds with intrinsic valence electron count (VEC) equal to 18, where HH compounds with intrinsic VEC ≠ 18 are excluded, highly hampering the development of HH thermoelectric materials. Furthermore, for conventional HH thermoelectric materials, it is quite difficult to obtain both the p-type and n-type materials of matched properties in the same compound system, hindering the energy conversion efficiency of thermoelectric devices. This project proposes to explore new thermoelectric materials in HH systems with intrinsic VEC ≠ 18 (mainly including VEC=17 and VEC=19). The influence of composition and valence electron count on phase stability, phase purity, electrical and thermal transport properties will be studied, providing theoretical guidance for the design and performance optimization of new HH compounds. Both the p-type and n-type thermoelectric materials can be possibly obtained in the same compound system through the manipulation of valence electron. The design and synthesis of new HH compounds will be further optimized, to search out high-efficiency thermoelectric materials. Thus, this project is expected to provide direction and guidance for the design and exploitation of HH thermoelectric compounds, and lay a good material foundation for the design and preparation of thermoelectric devices.

Half-Heusler(HH)热电化合物是非常有潜力的中高温热电材料，但是目前关于HH热电材料的研究主要集中于本征价电子数(Valence Electron Count, VEC)=18的化合物，将VEC≠18的HH材料排除在外，大大限制了HH热电材料的发展；而且传统的HH热电材料，很难在一个化合物体系中得到p型和n型材料，这会影响热电器件的转换效率。本项目拟通过成分和缺陷设计，在本征VEC≠18（主要包括VEC=17和VEC=19）的HH化合物体系中，探索新型热电材料；研究成分和价电子数对相稳定性、相纯度和电热输运性能的影响，为HH新化合物设计和性能优化提供理论指导；通过价电子调控，探索在一个化合物体系中同时获得p型和n型的热电材料；进一步优化设计合成，获得高性能热电材料。本项目的研究有望为HH热电化合物的设计开发提供方向和指导，并为热电器件的设计和制备打下良好的材料基础。

Half-Heusler(HH)化合物是最具有潜力的中高温热电材料之一，但目前开发出的HH热电化合物体系非常有限，且很难在一个化合物体系中得到p型和n型材料，限制了HH热电材料的发展。本项目通过成分和缺陷设计，在本征价电子数(VEC)≠18的HH化合物体系中，探索研究了TiFe1-xNixSb (0.3≤x≤0.6)、Ti1-xNiSb和Ti1-x-yScyNiSb体系的电热输运性能，结果表明改变TiFe1-xNixSb中Fe/Ni的元素比例，不仅可以有效调控热导率和电导率，而且能够改变固溶体的电传输类型，获得了在1250 K下ZT = 0.57的p型TiFe0.6Ni0.4Sb和ZT = 0.45的n型TiFe0.4Ni0.6Sb化合物；在VEC=19的TiNiSb体系中，通过引入Ti空位，获得了Ti0.9NiSb的单相化合物，Sc的掺杂可在保持单相结构的基础上继续增大Ti空位的含量，进一步降低了载流子浓度和热导率。在本征VEC=18的HH化合物体系中，通过成分设计和缺陷工程，开发了Nb1-xTaxCoSn0.9Sb0.1、Ti1+xCoSb和Yb1+xNi1-ySb体系。在NbCoSn中，采用合金化、元素掺杂等方法来改善材料的热电性能，其最高ZT 值达到了0.7，这是NbCoSn 体系中目前所报道的最高ZT 值；在TiCoSb体系中，研究了过量的Ti原子对其晶体结构和热电性能的影响；在稀土基Yb1+xNi1-ySb化合物体系中，过量的Yb原子倾向形成Yb/Ni和Yb/Sb反位缺陷，提高了空穴浓度，并改变了态密度有效质量；在YbNiSb中的Yb位置掺杂Ta/Hf，可以对功率因子和热导率起到协同调控的效果。本项目的研究拓展了HH热电材料的选择范围，为HH热电化合物的设计开发提供了方向和指导，并为热电器件的设计和制备打下良好的材料基础。