氧硫组元素化物LnCuChO(Ln:Bi、La；Ch：S、Se、Te)的微结构调控及其热电传输机理研究

Thermoelectric materials have important applications in the field of new energy technology. Carrying out the study of thermoelectric materials will have an important effect on better utilization of energy resources, the construction of low-carbon society and the needs of national sustainable development strategy. Oxide thermoelectric materials have received increasing attention because of their good environmental compatibility, thermal and chemical stability and simple preparation process. Based on the main factors influence on the properties of oxide thermoelectric materials, this topic chooses the oxyselenides LnCuChO (Ln: Bi, La, Ch, S, Se, Te) with complex crystal structure, which show large thermoelectric potential, as the research object . The intrinsic electrical and thermal transport of the pure phase LnCuChO (Ln: Bi, La, Ch, S, Se, Te) compounds will be studied systemically with an emphasis on the influence of the microstructure, which will provide important experimental evidence and theoretical guidelines for seeking for the high performance oxide thermoelectric materials. Then the thermoelectric properties of the compounds will be tried to improve by texture technology, nano structure composite and doping with a aim to developing a new type oxide thermoelectric materials with high thermoelectric performances.

热电材料在新能源技术领域具有重要应用价值。开展对热电材料的研究对能源资源的充分利用、低碳社会的建设和国家可持续发展战略的需求都有很强的现实意义。本课题基于氧化物热电材料良好的环境兼容性、物化稳定性和简单的制备工艺，从目前影响氧化物热电材料性能的主要因素出发，选择研究较少、但具有很大热电潜力的、具有复杂晶体结构的氧硫组元素化物LnCuChO(Ln:Bi、La；Ch：S、Se、Te)为研究对象，系统深入的研究其本征热电传输机制和微观结构对性能的影响规律，旨在为寻求高性能氧化物热电材料提供重要的实验数据和理论依据。在揭示该化合物块体材料本征电热传输性能的基础上，重点探索微观结构对样品热电性能的影响规律。通过织构化技术、纳米结构复合调控材料的热电性能。最后尝试掺杂并优化掺杂量，调节样品载流子浓度，提高其热电优值，从而研发出新型高效的氧化物热电材料。

热电转换技术能够将热能和电能相互直接转换，在温差发电和制冷领域具有重要应用。目前，热电材料性能较低是影响该技术大规模应用的主要原因，因此开发高性能热电材料并解决其制备及稳定性等关键性问题是热电领域研究的重要内容。氧硫族元素化物因其较高的热电性能和较好的热稳定性而备受关注。本项目结合该类材料的研究进展和前期实验基础，优化制备工艺采用机械合金化结合放电等离子体烧结技术制备了系列纯相氧硫族元素化物，并对比分析了各化合物之间的性能差异。该制备工艺简单、能耗低，解决了目前该类材料制备工艺繁琐、 时间长、能耗高等不足。其次，针对其中一种化合物，结合热动力学深入研究了该材料的合成机理和热电传输机制，并分析了固相合成法与机械合金化合成样品的微观结构和热电性能的差异以及影响因素。为该类材料性能的提高提供了重要的实验数据。再次，基于上述实验基础，进一步对样品的性能等进行调控，制备了碱金属、碱土金属掺杂的样品以及多个固溶体样品等，并优化了制备工艺得到最佳的掺杂元素和掺杂量。另外，针对最佳的掺杂样品较为系统的研究和分析了其热稳定和抗氧化能力，并与合金材料做了较为详细的微结构和性能数据对比。为该类材料未来的应用及其器件的制作提供了很有意义的参考数据。另外，基于高取向和纳米结构调控样品性能的思路，探索了水热法合成样品的工艺，并分析了合成工艺对样品微观结构和性能的影响，获得初步进展，为后期氧硫族化物材料的进一步合成及调控提供了重要的实验基础和实验数据参考。