三元RE/Cu/Te化合物的探索合成和热电性质研究

Thermoelectric compounds have been attractive in material research because they allow for the direct conversion between thermal and electric energies and they are environmental friendly. Mid-temperature (500-800K) thermoelectric materials may play a great role in the directly conversion of waste heat into useful electricity, which is of worldwide interest for energy sustainability. The main obstacle is the low thermoelectric efficiency of materials quantified by the thermoelectric figure of merit, and so there is compelling need to find high performance materials. Recently, several novel ternary rare earth tellurides RECuTe2 with superstructure and lower thermal conductivity were obtained by high-temperature solid-state reactions. Wherein the compound TmCuTe2 has the highest ZT about 0.80 at 750 K, higher than the majority of known materials at this temperature, and the material is expected to become a class of very important mid-temperature thermoelectric conversion material and having the application prospects. However, the number of thermoelectric properties of ternary RE/Cu/Te system is still rare, and this research project by exploring synthesis and thermoelectric properties of the ternary system, and aimed at ZT>1 new ternary rare earth telluride thermoelectric materials, in addition, theoretical studies have aided the understanding of electronic structures and thermoelectric performances.

热电材料是一种能够实现热能和电能进行直接转换的环境友好型功能材料，是当前材料研究中最受关注的领域之一。其中，在利用废热发电方面，中温区（500-800K）热电材料发挥极其重要的作用，是目前热电研究的重点。但是由于现有材料的转换效率低（即热电优值不高），限制了热电材料的大范围推广和应用，因此迫切需要去探索开发高性能的热电材料。在前期工作中，我们通过高温固相法获得数例具有超晶胞结构以及较低热导率的RECuTe2体系化合物，其中化合物TmCuTe2的ZT值在750K达到0.80，高于绝大多数已知材料在该温度下的ZT值，有望成为一类具有应用前景的新颖中温热电转换材料。目前关于RE/Cu/Te三元体系方面的热电性质研究还很薄弱，本研究项目通过对该三元体系的探索合成和热电性质的研究，旨在获得ZT>1的新型三元稀土碲化物的热电材料，并且还将通过理论研究，深入探讨该类材料具有高效热电性能的特殊结构原因。

按照计划书，该研究项目提出的目标是：合成一系列结构新颖的RE/Cu/Te化合物，并对其进行结构表征，对得到的化合物的热电性能进行研究，总结结构与性能之间的构效关系。同时也探索了一些具有特殊结构材料的热电性能及相关的性能改性。本项目在国家自然科学基金青年科学基金项目(21301175)资助的三年中，按照拟定的计划开展相关的研究工作，较好的完成了项目计划书确定的研究任务和内容。设计合成了一系列RE/Cu/Te热电材料，结合理论计算对得到的材料进行了相关性质研究。经过三年的努力，我们获得了一些有价值的研究成果，项目部分成果在Angew. Chem. Int. Edit., Chem.-Eur. J., Acta Mater.等国际重要刊物上发表了11篇论文，其中SCI影响因子4以上有9篇，申请专利6项（含国际专利1项），协助导师参与培养了2名博士和4名硕士。