热电材料的纳米复合及其性能增强机制研究

热电材料是一种可实现热能和电能相互直接转换的重要功能材料，在深空探测、废热回收和精确制导等关键领域有着不可替代的重要应用，研发高性能热电材料显著提升热电转换效率具有重要的科学意义和应用价值。然而，决定转换效率的材料性能受电热输运特性复杂耦合的制约，如何解耦相互关联的热电参数、提升热电性能一直是热电材料研究领域的关键科学问题。因此，热电材料研究被中国科协列为“重大科学问题和重大工程技术难题”中先进材料领域5大难题之一。为解决上述难题，项目组在国际上率先提出了多种纳米复合解耦内禀热电参数的新思路，引领了热电材料研究的新方向。主要科学发现包括： （1）发现了原位纳米复合结构的电热输运特性协同增强效应。通过设计具有强声子散射和弱电子散射的原位纳米复合结构，协同调控了电子和声子传输；研制了高性能碲化铅和锑化钴基热电材料。原位纳米复合结构为协同调控热电输运性能提供了新思路。该成果多次被Nature,Nature Chemistry,Advanced Materials等期刊正面引用，被认为起到“推动了高性能热电材料的发展”的作用。 （2）开辟了外引纳米复合提高热电性能和力学性能的新路线。发现了SiC纳米颗粒复合具有增强热电性能和同时提升力学性能的协同效应、以及通过异质界面能量过滤效应提高功率因子的物理机制，开辟和引领了纳米陶瓷颗粒复合热电材料新方向。该成果被美国密西根州立大学（国际热电研究中心之一）成功应用于Mg₂Si等多种热电材料体系。 （3）提出了复合材料中增强热电性能的渗流机制。提出了利用电导率和热导率不同复合特性实现电热输运特性解耦调控的思想，在单一热电材料研究中通过优化基于渗流效应的电输运通道结构实现了热电性能的提升，为复合热电材料研究指出了新途径。该成果被法国科学研究中心（CNRS）和德国马普所等多个小组关注和跟踪，前者复制沿用了项目组提出的渗流模型。 项目组发表在Journal of the American Chemical Society,Advanced Functional Materials,Advanced Energy Materials等期刊的8篇代表性论文被SCI他引1034次，单篇SCI最高他引315次,2篇入选ESI高被引论文，1篇获Top Cited Article奖，获授权发明专利8项（含国外专利1项）。项目负责人获得国家杰出青年基金项目和教育部特聘教授奖励计划资助，在该领域重要国际学术会议上作邀请报告30余次（含大会特邀报告2次，其中1次为日本热电学会学术年会唯一大会报告）。该项目相关基础研究应用到微型热电器件研制，推动了商用热电材料与器件的发展。