一维管状巨热金属氧化物材料的热电物性研究

热电现象-即热能和电能之间转换并提供了一种制冷或发电的方法-在解决能源和环境危机问题上正在扮演越来越重要的角色。传统的三维材料中，由于几个决定热电性能的关键物理参数相互关联，使得现有热电材料很难获得较高热电优值。本项目基于前期对钛酸盐纳米管巨大塞贝克效应的实验发现，提出利用一维纳米材料独特的空心结构和纳米管壁的层状特殊构造，将两个相关联的物理参数（导热率和导电率）分别调控，达到大幅提高热电物性的效果。在理论计算的基础上，采用调控掺杂和离子交换的方法控制管壁层间的导电离子，以期通过量子尺寸效应提高载流子浓度和导电性能；通过控制纳米管的表面粗糙度、中空部分尺寸和管壁间散乱来控制声子的传导来降低导热系数，从而有望综合提高热电优值。通过该研究结果可进一步认识一维管状纳米材料在传热和电子输运方面的奇异物理性能，不仅可以拓宽热电材料的应用范围，而且对低维纳米材料在其它领域的应用也具有重要促进作用。

热电材料可实现热能与电能之间的直接相互转化，在现代社会中的废热回收和制冷等诸多方面将扮演越来越重要的角色。鉴于传统碲化物类热电材料的毒性和资源稀缺性，我们选择一种环境友好、资源丰富的巨热金属氧化物类热电材料为研究对象。考虑到低维化对热电材料的电学、热学性质的显著调节作用，我们从一维巨热钛基氧化物着手。.我们首先采用水热法制备了高长径比的钛酸钠（Na2-xHxTi3O7）纳米管。我们针对单一纳米管低电导率的不足，对之进行了Nb掺杂替位Ti，同时采用离子交换法将部分Na+置换为Ag+，最终通高温烧结获得了氧化钛和银复合型微米/纳米块体材料，使得其热电性能有了明显地提高，在700 °C时达到了0.083。另外，我们用一种新颖的尿素燃烧法实现了对锐钛矿型氧化钛纳米的Nb掺杂或Nb、N共掺杂，大幅地提高了氧化钛基材料的热电性能，在700 °C时达到了0.35，是目前n型金属氧化物热电材料中的最高值之一，表明化学调控后的氧化钛基热电材料很有应用前景。.最后，基于密度泛函理论的计算结果表明：钛基氧化物中氧空位的形成可造成晶格局部畸变，导致少数载流子出现局域效应，使得在增加电导率的同时保持着较高的塞贝克系数，这种“载流子非对称传输模型”可以为其他化学调控或纳米复合型热电材料的设计提供理论指导。