Недавно Цю Пенгфей, научный сотрудник Шанхайского института керамики, Китайской академии наук, исследователь Ши Синь, Чэнь Лидонг и профессор Джеффри Снайдер, профессор Северо-западного университета, и профессор Университета Гиссена в Германии Юрген Янек, проанализировали подвижные ионы в жидкоподобных термоэлектрических материалах. Приводится механизм миграции и осаждения под действием поля в сочетании с теорией и экспериментом с целью предложить критерий предельной термодинамической устойчивости для осаждения «жидкоподобных» ионов из материала и соответствующие методы и методы экспериментальной характеризации. Исходя из этого, Внедрение интерфейса ионной барьерной электронной проводимости может значительно улучшить эксплуатационную стабильность жидкоподобных термоэлектрических материалов при сильном электрическом поле или большую разность температур. Это исследование имеет большое значение для практического применения жидкоподобных термоэлектрических материалов. Nature Communications, DOI: 10.1038 / s41467-018-05248-8, оборудование и некоторые результаты измерений, независимо разработанные исследовательской группой, были опубликованы в Журнале неорганических материалов (Vol.32, 2017, 1337- 1344), и применяются для китайских патентов на изобретение.
Термоэлектрическая технология преобразования энергии использует эффекты полупроводников из Зеебека и Пельтье для непосредственного преобразования тепловой энергии и электрической энергии. Она имеет важные и широкие перспективы применения в области производства промышленных отходов и выработки тепловой энергии выхлопных газов автомобилей, однако при условии контроля Из-за дальнего порядка структуры решеточная теплопроводность обычных термоэлектрических материалов кристаллического состава имеет минимальный предел (минимальная теплопроводность решетки), что ограничивает пространство для непрерывной оптимизации термоэлектрических характеристик. Начиная с 2012 года, термоэлектрическая команда во главе с Чэнь Лидоном и Ши Сюном предложила вводить ионы с «жидкоподобными» характеристиками в твердые материалы для снижения теплопроводности и оптимизации термоэлектрических характеристик, успешно разрушая теплопроводность решетки в твердом стекле или кристаллическом состоянии. Ограничения на материалы привели к открытию нового класса высокопроизводительных (ZT~2.0@1000 K) жидкостных термоэлектрических материальных систем с характеристиками «фононных жидкокристаллических кристаллов» (Nat. Mater. 2012, Adv. Mater., 2013 & 2014 & 2015 и 2017, Energ. Environ. Sci. 2014 и 2017, npj Asia Mater, 2015 и т. Д., Стали горячим пятном в области термоэлектрических материалов в последние годы. Однако эти типы жидкого тепла Катионы металлов с «жидкоподобными» характеристиками в материалах (таких как Cu2-δSe, Ag9GaSe6, Zn4Sb3 и т. Д.) Подвержены долговременной миграции и осаждению под действием электрического поля или температурного поля, что приводит к плохой стабильности обслуживания и ограниченным практическим применениям. Изучая миграционный процесс и физический механизм ионов в жидкоподобных термоэлектрических материалах и улучшая их сервисную стабильность, он является ключом к применению новых высокоэффективных жидких термоэлектрических материалов.
Команда обнаружила, что под действием внешнего поля катионы металлов (такие как Cu, Ag, Zn) в жидкоподобном термоэлектрическом материале будут мигрировать на дальнем расстоянии от одного конца образца к другому и создавать градиент концентрации ионов. Однако только металл с высокой концентрацией Когда химический потенциал катиона равен или превышает химический потенциал соответствующего металлического элемента, катион металла будет осаждаться из материала в металлический элемент, что приведет к разложению материала, поэтому каждый тип жидкого термоэлектрического материала имеет термодинамический предел стабильности, только когда внешнее поле Эффект достаточно прочен, так что, когда материал превысит этот предел, произойдет ионное осаждение и разложение материала. В противном случае жидкоподобный термоэлектрический материал будет похож на традиционное кристаллическое термоэлектрическое соединение, поддерживая хорошую стабильность и термоэлектрические характеристики под действием внешнего поля. Команда, получившая электрохимическую формулу, установила, что конкретное значение этого термодинамического предела может быть задано максимальным приложенным напряжением (т. Е. Пороговым напряжением), которое материал может выдерживать без разложения. Пороговое напряжение является характерным параметром, который не зависит от размера материала, только Это связано с химическим составом материала и температурой окружающей среды.
Чтобы экспериментально доказать существование предела термодинамической стабильности жидкоподобных термоэлектрических материалов, команда самостоятельно построила инструмент для количественной характеристики стабильности обслуживания жидких термоэлектрических материалов. В условиях постоянной температуры и заданной температурной разности среды соответственно использовались относительное сопротивление и относительный Seebeck. В качестве параметра оценки используется изменение коэффициента. Критическое напряжение серии термоэлектрических материалов Cu2-δ (S, Se) было успешно измерено и его диапазон значений составляет 0,02-0,12 В. В условиях постоянной температуры количество потерь Cu увеличивается или Когда температура окружающей среды увеличивается, критическое напряжение материала Cu2-δ (S, Se) постепенно возрастает, и его значение согласуется с теоретическим предсказанием, что указывает на то, что катионы металлов с «жидким состоянием» в материале сложнее осаждать. Критическое напряжение материала Cu2-δ (S, Se) также связано с направлением теплового потока внутри материала. Когда направление теплового потока совпадает с направлением тока, материал имеет меньшее критическое напряжение, что указывает на то, что катион металла в материале, скорее всего, будет осажден. Когда направление теплового потока противоположно направлению тока, материал имеет повышенное пороговое напряжение и значительно повышается стабильность материала.
Основываясь на глубоком понимании механизма миграции ионов и осадков, команда предложила ввести в ионно-подобный термоэлектрический материал «ионную барьерную электронную проводимость», чтобы эффективно подавлять осаждение катионов металлов «жидкоподобными» характеристиками и улучшать жидкое состояние. Термоэлектрическая устойчивость материала. Поскольку металлические катионы не могут проходить через границу «ионной барьерной электронной проводимости», внешнее поле будет разделяться различными типами жидких термоэлектрических материалов, заблокированными интерфейсом «ионной барьерной электронной проводимости». В свою очередь, материал в целом может оставаться стабильным при более сильном электрическом поле или большей разности температур. Между тем, «ионная барьерная электронная проводимость» не влияет на свободную передачу электронов / дырок, поэтому многоступенчатый материал получается высоким. В то же время стабильность обслуживания будет оставаться неизменной превосходными термоэлектрическими характеристиками. Эта стратегия была успешно проверена в многосегментных материалах Cu1.97S, связанных проводящимися углеродными слоями. Эта работа не только обеспечивает практическое применение жидкоподобных термоэлектрических материалов. Возможность также дает новую идею для улучшения стабильности обслуживания других электронных / ионных смешанных проводников.
Научно-исследовательская работа получила финансирование и поддержку со стороны Национального проекта специальных исследований и разработок, Национального фонда естественных наук Китая и Ассоциации молодых инновационных организаций Китайской академии наук.
(a) Рабочая среда жидких термоэлектрических материалов; (b) обычные жидкие гидроэлектрические материалы при высоком токе и (c) осаждение металлических Cu жидких термоэлектрических материалов с помощью интерфейса ионной барьерной электронной проводимости
Физико-химические процессы миграции ионов и осаждения в жидкоподобных термоэлектрических материалах
(a) Критический ток и критическое напряжение образцов Cu1,97S различной длины; (б) Критическое напряжение образцов Cu2-dS с различными стехиометрическими соотношениями; (c) Критический ток образцов Cu1,97S в заданной температурной разности; d) Критическое напряжение Cu1,97S в разной разнице температур и направлении теплового потока
Принцип улучшения стабильности обслуживания с использованием интерфейса ионной барьерной электронной проводимости (a, b); (c) среда с постоянной температурой и (d) экспериментальные результаты в заданной температурной разности
