南京工业大学《JAC》：首次将黄铁矿型材料CoSe2添加至TiS2基热电材料

热电材料又称温差发电材料。它具有结构简单、坚固耐用、无运动部件等优点。在过渡金属硫化物中，1T-TiS2由于其环境友好和优异的热电输运性能，近年来得到了广泛的研究。TiS2具有高电导率σ和优异的塞贝克系数|S|，这主要是由于TiS2是一种n型窄带隙半导体，高载流子浓度n，带隙约为0.3 eV。但是由于其自身热导率κtotal过高，导致最终ZT不理想，这极大地限制了TiS2的热电性能。所以，目前TiS2基块体热电材料的性能优化有限，ZT较少能超过0.5。另一方面，黄铁矿型材料因为其丰度和成本效益而得到了广泛认可，在前人的研究中，发现了在基体相中加入黄铁矿型材料CoSe2可以有效地降低热电材料中的κl，特别是硒化物和碲化物中。所以本次研究探究了CoSe2的添加对TiS2基热电材料的影响。

近日，南京工业大学热电课题组通过在TiS2中加入黄铁矿类材料CoSe2来提高多晶TiS2的热电优值(ZT)，本次研究深入研究了TiS2- x mol% CoSe2 (x = 0, 0.5, 1, 2, 3)一系列复合材料的热电特性。最终，TiS2 - 2 mol% CoSe2 (T = 673K)样品的ZTmax高达0.59。首先，适量CoSe2的加入显著增强了TiS2的晶粒取向。然而，随后CoSe2含量的增加导致TiS2晶粒取向的迅速恶化。材料的电导率σ呈现先上升后下降的趋势。反之，绝对塞贝克系数|S|先减小后增大。当加入2mol % CoSe2，TiS2的功率因数PFmax为14.4 Wcm-1K-2，与本征TiS2相比，显著提高了1.7倍。此外，CoSe2的加入有效地抑制了TiS2的热导率κ。因此，TiS2 - 2mol % CoSe2在673K时ZTmax达到了0.59，比原始TiS2增加了1.8倍。这项工作为有效提高层状热电材料的性能提供了新的见解。相关研究结果近日以题为“Effects ofincorporating pyrite-analogousCoSe2 on the thermoelectric properties of TiS2”发表在Journal of Alloys and Compounds上。其中南京工业大学硕士研究生刘慧为第一作者，南京工业大学潘林副教授和王一峰教授为共同通讯作者。

论文链接:

https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.176410

图1。(a) TiS2和(b) CoSe2的晶体结构; (c) TiS2- x mol% CoSe2 (x = 0, 0.5, 1, 2和3)样品的XRD谱图; (d) (001)峰的局部放大图(从15°到16°); (e) (004)峰的局部放大图(从65°到66°); (f)TiS2 - xmol% CoSe2 (x = 0, 1和3)断面的FE-SEM图像; (g) TiS2 - x mol% CoSe2(x = 1和3)的EDS图谱。

表1 TiS2 - xmol% CoSe2 (x = 0, 0.5, 1, 2, 3)的取向度(LF)、载流子浓度(n)、载流子迁移率(μ)、密度(ρ)、晶胞参数(abc)物理参数。

图 2。TiS2 - x mol% CoSe2(x = 0, 0.5, 1, 2, 3)的温度依赖的电子输运特性: (a)电导率; (b)塞贝克系数; (f)功率因子。(c) Pisarenko曲线; (d)能量过滤效应对TiS2 - xmol% CoSe2样品的影响; (e)散射因子。

图3。与温度相关的(a)总热导κtotal; (b)电子热导率κe; (c)晶格热导率κl; (d)晶格热导率与1000/T的关系; (e)所有样品的ZT值; (f)本次工作与文献报道的TiS2基热电材料最大ZT (ZTmax)比较。

表2 所有样品在303K温度条件下的横波vs1和vs2、纵波vl、声子平均声速vavg、声子平均自由程l、杨氏模量E和格林森系数γ等物理参数。

作者研究了TiS2-xmol% CoSe2 (x = 0, 0.5, 1, 2, 3)一系列复合材料的热电性能。通过将适量的黄铁矿类材料CoSe2添加到TiS2基热电材料中实现了0.59的最高ZT值(T=673 K)。σ随CoSe2含量的增加先增大后减小，σ的增大与载流子浓度n和迁移率µ的同时增大有关。不可忽略的能量过滤效应导致绝对塞贝克系数|S|显著增加。此外，CoSe2的加入有效地抑制了TiS2的κ1，使其总热导κtotal最低降至1.36 W m-1 K-1。最后，在673 K时，TiS2 - 2mol % CoSe2样品的ZTmax达到0.59，是原始样品的1.8倍。

来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。