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我国学者在MgAgSb基热电器件研究方面取得进展

2025/06/03

我国学者在MgAgSb基热电器件研究方面取得进展

图(a, b)高热稳定性热电器件的原子级界面设计,(c)全镁基器件在不同温差下的转换效率与现有器件的对比,(d)全镁基热电模块的热循环可靠性评估

  在国家自然科学基金项目(批准号:U23A20685、52174343、51902333)等资助下,东华大学江莞教授团队与合作者在热电材料领域取得新进展。相关研究成果以“原子级界面增强提升镁基热电器件的效率与耐久性(Atomic-scale interface strengthening unlocks efficient and durable Mg-based thermoelectric devices)”为题,于2025年3月17日发表在《自然•材料》(Nature Materials)杂志,论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-025-02167-0。

  在钢铁、化工等行业中,约60%的能量以废热形式流失,回收废热对提高能效和应对气候变化至关重要。热电技术通过将废热直接转化为电能,提供了一种有效的解决方案。然而,要大规模应用热电技术,关键在于提高热电器件的转化效率。尽管近年来研究人员在热电材料性能提升方面取得了一定进展,但器件中电极与热电材料之间界面反应、元素扩散以及接触电阻增加等导致的界面退化问题,严重影响了热电器件的长期稳定性。因此,开发一种既能增强界面结合力又能减少电阻和界面反应的接触层,对热电设备的长期稳定运行至关重要。

  本研究提出原子级界面强化策略,通过调控界面化学结合和扩散行为,成功制备出高效稳定的全镁基热电器件。针对热电材料阻挡层筛选问题,研究团队创新性地开发了一种高通量阻挡层筛选方法,显著提升了阻挡层材料筛选效率。该方法采用多界面同步构筑技术,在单次烧结过程中实现多个异质界面形成和电阻并行测试,大幅提高了实验效率。研究发现,金属钴作为阻挡层材料表现出卓越的界面特性,不仅具备极低的接触电阻率(老化前后稳定<5 µΩ·cm²),且长期服役后无明显元素扩散现象,并结合分子动力学模拟验证了原子级界面的优势。实验表明,采用原子级界面设计的器件在高温端373 K~573 K温度范围内运行600次完整热循环(累计1440小时),转换效率依然保持稳定,远超传统界面设计的器件。

  该研究突破了传统热电界面易失效的瓶颈,为高性能、长寿命镁基热电器件的开发提供了全新思路,有望推动新型热电材料与器件的产业应用。


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