多尺度结构SrTiO3/碳纳米复合块体热电材料的制备与电热输运协同调控

Thermoelectric power generation is a kind of environment friendly energy conversion technology. Nowadays, thermoelectric power has not been used widely, which is mainly restricted by figure-of-merit, environmental impact, stability and cost of thermoelectric material. In this project, the nanocomposite bulk thermoelectric materials is prepared by the composite between the thermal and chemical stable SrTiO3 with potential high figure-of-merit and the carbon from decomposition of organic, black carbon and graphite. All the material is environment friendly and full in nature. Electron mobility is improved by carbon composite, and further higher electric conductivity is obtained without reducing seebeck coefficient. By building a multi-scale structure，the scope of the phonon scattering is expended and thermal conductivity reduced significantly. Furthermore，by the regulation to multi-scale nanocomposite structure, the scattering to the electron transport can be reduced，and the scattering to phonon with significant heat transport can be increased, so that thermal conductivity lower and electric conductivity is not affected, where its electric and thermal transport is collaboratively regulated, and the figure-of-merit is improved greatly. The project can offer some theoretical and experimental basis in order to design and prepare transition metal oxides with high figure-of-merit.

热电发电是一种环境友好型能源转换技术。目前，热电发电未能实现广泛应用，主要是受限于热电材料热电优值，以及环保，稳定性和成本等因素。本项目中，应用具有潜在高热电优值，高热稳定和化学稳定性，绿色环保，来源广泛的SrTiO3和同样绿色环保，来源广泛的有机物分解碳，炭黑以及石墨进行复合，制备纳米复合块体热电材料。通过碳复合提高电子迁移率，进而在不降低赛贝克系数的情况下提高电导率；通过构建多尺度结构扩大散射声子的范围，显著降低热导率。此外，通过对多尺度的纳米复合结构进行调控，可选择性增强对传热显著声子的散射而降低对电子传输的散射，在显著降低热导率的同时，没有明显影响电导率，实现材料电热输运的协同调控和优化，大幅度提高热电优值。这项研究工作的开展可为设计和制备高热电优值过渡金属氧化物热电材料提供一定的理论和实验基础。

SrTiO3热稳定性高，合成原料成本低，环保且具有高塞贝克系数，有希望作为高性能热电材料应用于热电发电，来缓解当前的能源和环境问题。SrTiO3热电材料目前存在的主要问题是低的热电优值。提高材料热电优值的有效途径是协同调控电热输运。本项目中，将淀粉和溶胶凝胶法合成Sr0.9La0.1TiO3前驱体混合，制备具有多孔结构的碳复合Sr0.9La0.1TiO3热电材料。淀粉在高温惰性气氛中可原位碳化成碳。碳在高温惰性气氛下可形成还原气氛，促进材料半导化，提高电导率。同时淀粉在碳化的过程中，增加烧结陶瓷晶界结构的复杂性，降低材料的热导率，热导率低达1.7 Wm-1K-1，功率因子最大值为71 µWK−2m-1，热电优值最大值为0.03。本项目中，将溶胶凝胶法制备的前驱体压片后石墨埋烧，石墨埋烧和混合淀粉的制备块体样品比较在测试温度范围内，功率因子达到126µWK−2m−1，热导率进一步降低，达到1.4 Wm-1K-1，热电优值达到0.06。本项目中，以简单钛氧化物TiO2为原料与淀粉混合制备具有氧空位结构的钛氧化物热电材料，同时协同优化材料的电热输运性能。实验结果显示，通过混合不同比例的淀粉，不仅显著提高样品的功率因子，达到280µWm-1K-2m-1以上，热导率也显著降低，在整个测试温度范围内，可低于2.0Wm-1K-1以下，热电优值接近0.14，实现电热输运的协同优化。简单钛氧化物的研究结果显示，提高烧结块体材料的烧结致密度有助于提高材料的功率因子。本项目中，通过对溶胶-凝胶法制备的前驱体进行不同温度的热处理，可以得到不同组成和粒径的烧结前粉体，实验结果显示430℃热处理得到的粉体，结合添加SiO2烧结助剂，可以在1450℃进行较为致密的烧结。尽管材料的热导率有所提高，但是功率因子的提高更为显著，973K功率因子达到343µWK-2m-1，热电优值达到0.11。以上的研究工作，可为高性能氧化物热电材料的研发提供一定理论和实验基础。