超細(xì)晶和納米多孔材料的高效熱電制冷性能

來(lái)源|Materials Today

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背景介紹

熱電( TE )技術(shù)作為一種綠色的工程解決方案，在小規(guī)模制冷和余熱回收方面越來(lái)越受到關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用中，固態(tài)冷卻是其主導(dǎo)應(yīng)用，由于具有高可靠性和緊湊性、無(wú)噪音運(yùn)行、精確控溫等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)具有成熟的商用市場(chǎng)。除了邊界或界面，孔隙率是另一種有效的策略，有望干擾聲子輸運(yùn)以提高ZT。根據(jù)有效介質(zhì)理論，導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增加幾乎呈線性減小。如果電輸運(yùn)受到的影響較小，則可以?xún)粼黾庸β室蜃优c熱導(dǎo)率的比值PF / κ，從而獲得增強(qiáng)的ZT，這已經(jīng)在BiSbTe、SnTe和方鈷礦中實(shí)現(xiàn)。然而，納米級(jí)孔隙對(duì)熱電性能的作用目前仍存在爭(zhēng)議，因?yàn)樵谀承┣闆r下，電導(dǎo)率的降低速率比熱導(dǎo)率的降低速率快得多，這將導(dǎo)致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質(zhì)有關(guān)。

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成果掠影

納米晶粒和孔隙作為兩種常見(jiàn)的微結(jié)構(gòu)缺陷，能夠阻礙聲子的傳輸。然而，迄今為止，納米晶粒在高溫下的穩(wěn)定性以及多孔性在提高熱電優(yōu)值ZT方面的可行性仍是熱電領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。

近日，哈工大材料學(xué)院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)、中科院物理研究所組成的研究團(tuán)隊(duì)

首次利用超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)的鎂銀銻（MgAgSb）基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件，在α-MgAgSb中設(shè)計(jì)的主要由納米晶區(qū)域內(nèi)的超細(xì)晶粒和隨機(jī)分布的孔隙組成的微結(jié)構(gòu)，在300?K時(shí)，產(chǎn)生了超低的晶格熱導(dǎo)率0.46?W/mK，突破了估計(jì)最小值的限制，為熱電制冷性能優(yōu)化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發(fā)表在《Materials Today》上。

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圖文導(dǎo)讀

圖1. 微觀結(jié)構(gòu)演變的原理圖、改進(jìn)的熱電性能、模塊的冷卻性能。A：燒結(jié)溫度對(duì)樣品組織結(jié)構(gòu)的影響示意圖，B：超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)對(duì)MgAgSb晶格熱導(dǎo)率的降低效果，C：超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)MgAgSb與其他方式優(yōu)化MgAgSb材料的熱電優(yōu)值對(duì)比，D：制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大溫差對(duì)比，E：制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大COP對(duì)比。

圖2. 在473 K條件下燒結(jié)的樣品微觀結(jié)構(gòu)表征圖。

圖3. 熱性能分析。

圖4. 電輸運(yùn)性能和優(yōu)良熱點(diǎn)效率。