材料南京理工大学徐骉和爱荷华州立大学吴越AngewVIP重构二元金属硫化物能带结构合成高性能环保和低成本的热电材料

‍‍‍‍

热电材料具有独特的静音、可靠性和稳定性等优势，近年来引起人们的广泛关注，但基于热、电输运性质的综合复杂性及其相互作用，该领域仍需开展深入的研究。通过插入第三种试剂来拆分和重构传统的二元化合物对电子器件和核辐射探测器等各个领域的研究具有启发意义，该方法也可用于重构二元热电化合物的晶体结构，实现电子和声子结构的改变，从而获得环保、廉价、高性能的热电材料。

近日，南京理工大学化学工程学院的徐骉教授（第一作者）和爱荷华州立大学化学与生物工程系的吴越教授（通讯作者）团队在Angew. Chem. Int. Ed. 上发表文章，通过插入第三种试剂重建典型的二元化合物，可以显着地改变其电子和声子结构。他们通过添加无序Bi和弱键合I来重建Bi2S3，获得的纳米结构Bi13S18I2成为首例zT达到1.0的无毒、成本低且可溶液加工的n型热电材料。在这项工作中，该课题组选择n型二元金属硫化物Bi2S3，并插入第三个与环境相容且廉价的元素碘，由此产生的Bi13S18I2晶体对称性发生变化，由此达到修饰电子和声子结构的目的。因此，基于高性能、低毒和低成本等特性，这种材料有望成为传统Te基热电材料的替代品。该研究具有原创性、新颖性和重要性，被评为VIP（very important paper）。

图1. 晶体结构图。（a-b）Bi13S18I2相对于Bi2S3的晶体结构，虚线圆圈表示来自Bi2S3的Bi13S18I2中的遗传片段；（c）块体Bi13S18I2的粉末X射线衍射成像。

图2. Bi13S18I2的微观结构表征。（a-b）Bi13S18I2纳米棒低倍率和高分辨率TEM成像；（c）快速傅立叶变换图案；（d）诱导晶体学各向异性的放电等离子体烧结过程；（e）烧结纳米结构材料的XRD成像；（f）烧结纳米Bi13S18I2的聚焦离子束切割薄片的TEM成像；（g）烧结纳米Bi13S18I2的原子级HAADF-STEM成像。

图3. 温度与相关性能参数的关系。（a）电导率的温度依赖性；（b）霍尔载流子浓度与温度的关系；（c）塞贝克系数；（d）功率因数；（e）总热导率；（f）三个Bi13S18I2样品的zT值。

图4. Bi13S18I2的相关理论研究、（a）电子能带结构图；（b）态密度图；（c）势阱图；（d）电子局域化函数图；（e）热导值与文献中其他材料的对比；（f）zT值与文献中其他材料的对比。

该团队通过合成类似的Bi19S27Br3纳米棒及其纳米结构材料来展示化学可调性，基于适当的溶液相法可以合成典型二元金属硫化物（硒化物）的其他开放骨架化合物，这种方法可以改变电子能带结构和声子输运，从而改善其热电性能，由此丰富多元金属硫化物（硒化物）大家庭，得到一系列环保的热电材料。

该论文作者为：Biao Xu, Tianli Feng, Matthias T. Agne, Qing Tan, Zhe Li, Kazuki Imasato, Lin Zhou, Je-Hyeong Bahk, Xiulin Ruan, G. Jeffery Snyder, Yue Wu

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Manipulating Band Structure through Reconstruction of Binary Metal Sulfide for High‐Performance Thermoelectrics in Solution‐Synthesized Nanostructured Bi13S18I2

Angew. Chem. Int. Ed., 2018, DOI: 10.1002/anie.201713223 

< p>

团队介绍

吴越教授，2001年本科毕业于中国科学技术大学化学系，2006年博士毕业于哈佛大学化学系Charles Lieber课题组，2006年-2009年于加州大学伯克利分校化学系Paul Alivisatos课题组从事博士后研究，2009年-2014年任职于普渡大学化学工程系，2014年至今任职于美国爱荷华州立大学化学工程系；主要研究方向为纳米热电材料、纳米复合导热材料、二维MXene材料和纳米线生物材料等。

徐骉教授，2009年本科毕业于清华大学化学系，2014年博士毕业于清华大学化学系王训教授课题组，2014年-2017年于美国爱荷华州立大学吴越教授课题组开展博士后研究，2017年12月至今任职南京理工大学化工学院教授、博士生导师；主要研究方向为纳米热电材料，相关工作详见：

1. Biao Xu, Tianli Feng, Matthias T. Agne, Lin Zhou, Xiulin Ruan, G. Jeffery Snyder, Yue Wu*, Highly Porous Thermoelectric Nanocomposite with Low Thermal Conductivity and High Figure of Merit from Large-Scale Solution-Synthesized Bi2Te2.5Se0.5 Hollow Nanostructures, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 3546.

2. Biao Xu, Matthias T. Agne, Tianli Feng, Thomas C. Chasapis, Xiulin Ruan, Yilong Zhou, Haimei Zheng, Je-Hyeong Bahk*, Mercouri G. Kanatzidis, G. Jeffrey Snyder*, Yue Wu*, Nanocomposites from Solution-Synthesized PbTe-BiSbTe Nano-Heterostructure with Unity Figure of Merit at Low-Medium Temperatures (500-600 K), Adv. Mater., 2017, 29, 160540.

本文版权属于X-MOL（x-mol.com），未经许可谢绝转载！欢迎读者朋友们分享到朋友圈or微博！

长按下图识别图中二维码，轻松关注我们！

点击“阅读原文”，查看 化学 • 材料 领域所有收录期刊