硫化铋的掺杂改性及其微结构调控与热电性能相关性研究

热电材料是一种能将电能和热能进行相互转化的半导体材料，在能源与环境领域日益受到重视。目前室温下热电性能最好的材料为V-VI族碲化铋及其合金化合物，但是碲价格昂贵，且毒性大。硫化铋价格便宜、毒性低，同为V-VI族窄带半导体和层片状晶体结构，具有较大的热电性能增强潜力。本课题以硫化铋体系为研究对象，利用机械合金化与放电等离子烧结相结合技术，通过掺杂改性、晶粒细化、织构化以及晶粒复合等成分与微结构调控手段，系统研究上述因素对硫化铋热电传输特性的影响规律及其性能增强机制，为材料成分设计、微观结构设计提供重要的科学理论指导。本项目不仅有利于进一步提升我国在高性能热电材料与应用技术研究领域的研究水平，而且适应能源综合利用技术发展的国家需求，其立项实施将具有重要的战略意义。

热电材料能够实现热能和电能的直接相互转换，在工业废热发电，汽车尾气余热回收及热电制冷等方面有广泛的应用前景。硫化物热电材料是一类新型的热电材料，与传统的高性能热电材料诸如碲化铋、碲化铅相比，具有原料廉价易得、低毒、环境友好等优点，但硫化物材料的热电性能还比较低。本项目着眼于n型硫化铋(Bi2S3)热电材料，用机械合金化法(mechanical alloying, MA)和水热合成法制备化合物粉体(hydrothermal synthsis, HS)，用放电等离子烧结(spark plasma sintering, SPS)法制备多晶块体材料，通过优化MA和SPS制备工艺以及优化Ag, Cu, Ce等元素掺杂改性优化载流子浓度，通过复合晶粒与织构组织设计优化载流子迁移率，达到优化Bi2S3材料热电性能的目的。Bi2S3块体材料的无量纲热电优值ZT从0.09(573 K)提高了近4倍达到0.34(573K)。采用MA结合SPS法首次合成了一种新型硫化物热电材料Cu1.8S，并报道其在673K取得最大ZT值0.5，是文献报道时过渡金属硫化物的最高值。本项目通过对Bi2S3材料进行深入研究，探索了多种元素掺杂改性和微观结构调控对Bi2S3热电材料电热传输性能影响的一般规律，为进一步优化Bi2S3的热电性能和寻找新的硫化物热电体系提供了坚实的理论基础和实验依据。申请国家发明专利11项，已授权5项，参加国际国内学术会议18人次，发表SCI收录论文21篇，其中IF≥5的3篇，3≤IF<5的2篇，1≤IF<3的14篇，培养博士生1名，硕士生5人。