Systhesizing SnTe nanocrystals leading to thermoelectric performance enhancement via an ultra-fast microwave hydrothermal method

doi:10.1016/j.nanoen.2016.08.008

論文編號(hào): 17
期刊: Nano Energy
影響因子: 17.881
中科院分區(qū): 1 區(qū)
發(fā)表年份: 2016
DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.008
設(shè)備型號(hào): XH-8000 / XH-8000Plus
作者單位: 中國石油大學(xué)；中國石油大學(xué)（北京）重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料科學(xué)與工程系；清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、材料學(xué)院
China University of Petroleum; State Key Laboratory of Heavy Oil Processing and Department of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum, Beijing 102249, PR China; State Key Laboratory of New Ceramics and Fine Processing, School of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, 100084 Beijing, PR China
研究方向: 微波水熱合成熱電材料 SnTe 納米晶粒徑效應(yīng)調(diào)控低熱導(dǎo)熱電塊體

事實(shí)快照

論文：超高速微波水熱法制備 SnTe 納米晶體，提高其熱電性能
設(shè)備：XH-8000 / XH-8000Plus
期刊與分區(qū)：Nano Energy，中科院 1 區(qū)
核心條件：溫度 220 °C；微波功率 550 W；壓力 0.17 MPa / 4.0 MPa
關(guān)鍵結(jié)果：顆粒平均粒徑 165 nm；顆粒平均粒徑 8.2 μm；超低熱導(dǎo)率 0.60 W m^-1 K^-1
用途：可作為微波水熱合成、熱電材料的論文證據(jù)頁。

研究摘要

論文摘要明確指出，作者針對(duì) SnTe 難以穩(wěn)定控制形貌和尺寸、且熱電優(yōu)值受高熱導(dǎo)率限制的問題，設(shè)計(jì)了一條“超快速微波水熱方法”來制備從微米級(jí)到納米級(jí)可控尺寸的 SnTe 顆粒。基于粒徑效應(yīng)，作者在后續(xù)燒結(jié)塊體中獲得了 0.60 W m^-1 K^-1 @ 803 K 的超低熱導(dǎo)率，以及 0.49 @ 803 K 的最大 ZT，約為機(jī)械合金化參考樣的 2.3 倍。

研究背景與解決的問題

論文摘要明確指出，作者針對(duì) SnTe 難以穩(wěn)定控制形貌和尺寸、且熱電優(yōu)值受高熱導(dǎo)率限制的問題，設(shè)計(jì)了一條“超快速微波水熱方法”來制備從微米級(jí)到納米級(jí)可控尺寸的 SnTe 顆粒。

設(shè)備應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)條件

項(xiàng)目	參數(shù)
溫度	220 °C
微波功率	550 W
壓力	0.17 MPa / 4.0 MPa
時(shí)間	20 min

關(guān)鍵結(jié)果

顆粒平均粒徑 165 nm

顆粒平均粒徑 8.2 μm

超低熱導(dǎo)率 0.60 W m^-1 K^-1

總熱導(dǎo)率 0.60 W m^-1 K^-1

指標(biāo)	結(jié)果
顆粒平均粒徑	165 nm
顆粒平均粒徑	8.2 μm
超低熱導(dǎo)率	0.60 W m^-1 K^-1
總熱導(dǎo)率	0.60 W m^-1 K^-1
熱導(dǎo)率	0.95 W m^-1 K^-1

機(jī)制/方法亮點(diǎn)

微波水熱 + 攪拌共同支撐超快、均勻反應(yīng) 論文在結(jié)果段特別強(qiáng)調(diào)，這套微波水熱系統(tǒng)能夠在持續(xù)磁力攪拌下工作，而這在傳統(tǒng)密閉金屬水熱反應(yīng)器中難以實(shí)現(xiàn)。作者認(rèn)為，這使得反應(yīng)物在體系內(nèi)可以獲得更均勻、更快速的受熱環(huán)境，從而支撐 20 min 的快速反應(yīng)完成。
納米尺寸強(qiáng)化聲子散射，顯著壓低熱導(dǎo)率作者將性能提升的核心機(jī)理歸因于納米尺寸效應(yīng)（nanometer size effect）。當(dāng)顆粒尺寸減小到 165 nm 級(jí)別后，晶粒細(xì)化、晶界增多和點(diǎn)缺陷共同增強(qiáng)了聲子散射，使熱導(dǎo)率大幅下降，這是 ZT 提升的決定性來源之一。
能量過濾效應(yīng)對(duì) Seebeck 系數(shù)提升也有貢獻(xiàn) 除了熱導(dǎo)率降低外，論文還指出，納米尺寸效應(yīng)帶來的能量過濾效應(yīng)（energy filtering effect）對(duì) Seebeck 系數(shù)提升也有一定幫助。雖然最細(xì)粒徑樣品的功率因子并沒有同步大幅躍升，但由于熱導(dǎo)率被顯著壓低，最終綜合 ZT 仍然明顯優(yōu)于參考樣。

應(yīng)用價(jià)值

用 XH-8000 微波水熱系統(tǒng)把 SnTe 關(guān)鍵合成過程壓縮到 20 min，體現(xiàn)出明顯的超快合成價(jià)值。
把粒徑控制從微米級(jí)推進(jìn)到納米級(jí)，并建立了清晰的“粒徑-熱導(dǎo)率-ZT”性能鏈條。
165 nm 樣品在 803 K 下實(shí)現(xiàn) 0.60 W m^-1 K^-1 超低熱導(dǎo)率，是全文最突出的定量結(jié)果之一。
最大 ZT 提升到 0.49，約為機(jī)械合金化參考樣的 2.3 倍，具備明確對(duì)照優(yōu)勢。
論文同時(shí)給出了設(shè)備型號(hào)、廠家、溫度、時(shí)間、功率和壓力窗口，設(shè)備證據(jù)鏈完整。

常見問題

這篇論文使用了哪種設(shè)備？

本研究使用 XH-8000 / XH-8000Plus。

研究的核心發(fā)現(xiàn)是什么？

該研究發(fā)表于 Nano Energy（2016），使用 XH-8000 / XH-8000Plus 開展微波水熱合成、熱電材料研究，關(guān)鍵結(jié)果包括顆粒平均粒徑 165 nm；顆粒平均粒徑 8.2 μm；超低熱導(dǎo)率 0.60 W m^-1 K^-1。

該研究發(fā)表在哪個(gè)期刊？

發(fā)表于 Nano Energy，中科院 1 區(qū)。

引用信息
Systhesizing SnTe nanocrystals leading to thermoelectric performance enhancement via an ultra-fast microwave hydrothermal method
Nano Energy, 2016
DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.08.008